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IC EMC集成电路电磁兼容问题来源

IC EMC问题来源

过去几年,智能手机、平板电脑和可穿戴设备等移动设备的数量显着增加。同时,无线通信由于更高的数据速率而增加。越来越多的无线设备会增加 EMC 问题吗?当今的行业能否满足物联网为我们准备的 EMC 要求?

如果更多的设备必须相互交互,而它们的EMC质量保持在目前的水平,那么从统计的角度来看,这将导致更多的EMC问题。此外,即使已通过一致性测试,设备在实践中也可能不兼容。例如,假设电子设备通过了 IEC 61000-6-3、IEC 61000-6-4 的发射合规性测试。与测试相反,在实践中,电子设备可能位于金属物体(例如外壳)附近。这可能会导致场耦合,进而导致比测试中更高的发射。在这种情况下,金属物体的尺寸是必不可少的。该场可能会激发适合金属物体尺寸的驻波,然后导致额外的发射。

这意味着,未来不仅会出现无线传输问题,还会出现设备辐射问题。

更严格的设备标准不一定能解决这个兼容性问题。

上面的例子表明,当前的一致性测试通常没有考虑任何场耦合机制。场耦合机制可能会引发一些关于如何解决问题的有用想法。

现行标准规定的测量原则是否足够或者是否需要制定新的测量原则还有待观察。

此外,IC 的 EMC 标准(IEC 61967 和 IEC 62132)领域出现了新的要求。将来需要具体的 IC EMC 参数作为 EMC 开发工具/PCB 仿真程序的输入值。根据 IC EMC 标准从测量中获得这些 EMC 参数是明智的。不幸的是,目前标准测量的结果不足以实现这一目的。

这个程序在未来的 IC 开发中将变得更加重要。

这就是为什么应该考虑使标准测量的测试方法适应这项任务的原因。下面将通过以传导发射为例对 IC 进行说明。

目前在电子开发中使用的干扰抑制策略遇到了它们的局限性。在第一个开发样品完成之前,作为潜在排放源的 IC 不会被视为麻烦制造者。开发人员在设备或 PCB 上采取干扰抑制措施时会遇到它们。近场探头用于定位电子设备中的射频源。这些不会将 IC 本身识别为干扰源,而是将 IC 馈入干扰电流和干扰电压的 PCB 走线。然后将使用附加组件、铜箔或其他方式修改电子设备。最后但并非最不重要的一点是,进行 EMC 测量以确认在重新设计 PCB 后采取的干扰抑制措施是否成功。

这种方法非常耗时且昂贵。这里的一个大问题是,在第一个功能开发样本完成之前,无法采取选择性 EMC 措施。当为时已晚时,获得对 EMC 至关重要的洞察力。在开发过程中做出重要决定时不考虑 EMC 测试的结果。问题几乎是不可避免的,因为 EMC 测试结果是在这样一个相对较晚的时间点获得的。

但是,该行业需要符合 EMC 的更快、更高效的开发。这只能通过采用全新的方法来实现。这必须在开发过程的早期开始,并深入研究排放的行动链。只有实际操作排放源的知识才能让开发人员遵循这条路径。一旦 IC 被更准确地描述为潜在的辐射源,就可以更早、更有效地采取适当的措施来稳定整个设备的 EMC。

适当的 EMC 参数是先决条件,因此受到很高的要求。他们必须描述 IC 的 EMC 问题区域,以便在工业中实际使用。这意味着它们必须适合开发符合 EMC 要求的 PCB。此外,IC 的 EMC 参数必须与实际措施和策略相联系。

这种方法应该根据 EMC 来定义电子开发。由于极端小型化,当今设备开发领域对电磁干扰的敏感性更高。设备制造商正在加大力度解决这些问题,以抑制设备中的干扰并符合相应的标准。

上面例子中描述的问题使情况更加恶化。物联网的一个重要要求是设备在其环境中正常可靠地运行。

设备制造商在多大程度上能够继续掌握因小型化而恶化的 EMC 情况,并通过在这项工作上花费更多的时间和金钱来抑制设备中的干扰,还有待观察。符合 EMC 要求的开发将在设备开发成本中占据越来越大的份额。EMC 目标是否能够完全实现是值得怀疑的。这个问题可以通过在未来 IC 研究和 IC 开发领域提供更好的 EMC 参数来缓解。然而,这意味着也必须在这里花费更多的时间和金钱。当然,这与无线设备有关。德国工业已开始应对这种不断增加的压力。

公司现在与 EMC 顾问合作,从开发过程的一开始就使用新的 EMC 技术解决设备和复杂系统开发中与 EMC 相关的问题。

主要部分

由于内部功能操作,IC 会产生射频电压、电流和场。不同的物理机制对这些以发射形式进入电缆线束或以辐射形式进入周围开放空间负责。IC可能会产生以下影响:

导电:通过 IC 引脚将 RF 电流和电压发射到 PCB 走线中,

电容/电感:从芯片或 IC 的连接发射 E 和 H 近场,

辐射:直接发射电磁波。对于在实践中具有非常高时钟频率的 IC,直接发射通常仅在千兆赫兹范围内至关重要。

图 1 PCB 走线的电场
图 1 PCB 走线的电场

以下部分描述了第 1 项和第 2 项:PCB 中的导电、电容和电感效应。

排放遵循一个闭环。驱动射频电流和射频电压源位于 IC 内部。它们通过接合线、引线框架和引脚将 RF 驱动到 PCB 迹线中,其中电流产生近磁场,电压产生近电场。如果 PCB 走线在空间中自由定位,则电场和磁场近场将不受干扰地建立。这些场类似于天线的 E 场和 H 场。电场通过天线元件、其电流和电压与磁场紧密耦合。这种电场模式导致电磁波的发射。PCB 走线充当传输天线。

然而,PCB 上的情况通常大不相同。PCB 包含金属表面。这些金属表面通常延伸到整个 PCB 并具有接地或电源电压电位。这些金属表面和 PCB 走线之间的间隙通常小于 1 毫米。这些接地表面会影响走线电磁场的分布。以环形天线为例,可以最好地描述这种效果。如果在空间中自由放置,环形天线可以发射电磁辐射。如果将环形天线放置在地面上,这将阻止电磁辐射的发射。这是因为相应的导电金属表面会在回路开口时阻挡磁场,这是电流/场位移效应(趋肤效应)的原因。环形天线’ s 磁场不再围绕天线建立,实际上不再存在。因此,环形天线的辐射发射大大减少(图2)。

图 2用金属板阻挡环形天线的磁场
图 2用金属板阻挡环形天线的磁场

。当磁场被阻挡时,环形天线的近场可以刺激金属板辐射发射(其他辐射特性)。如果环形天线和金属板之间的间隙为零,则 H 场也为零。

PCB 走线的反应方式完全相同。一旦 PCB 中的接地表面足够大,就可以防止来自走线的直接辐射。在距离地面一定距离之前,走线的发射不会增加。所需的距离取决于走线的长度。实践经验表明,间隙必须 > 0.5 cm 才能导致任何有效发射(频率范围 < 1 GHz),并且迹线长度 > 10 cm。

这意味着 PCB 的排放采用其他方式,即通过其近场。

这些近场通过与金属部件(Vdd/Vss 表面、大型金属部件、电缆和线路、金属结构部件)相互作用而导致发射。

IC 电压和发射之间的关系

我们在下文中指的是 PCB 走线。IC 内部的走线遵循相同的原则。因此,PCB 走线上的声明可以转移到 IC 内部的走线上。PCB 走线或 IC 内部走线上的引脚电压会在该走线周围建立电场(图 1)。大多数场线通向 PCB 的 GND 表面。只有少数场线垂直向上离开 PCB 并穿透到开放空间。走线越靠近 GND 系统的边缘,穿过空间的场线就越多。

这些场线(激励场线)离开 PCB 的 GND 系统并通过空间传送位移电流,从而刺激整个金属系统(带有电缆和金属结构部件的 PCB)产生电振动(图 3)。

图 3通过电激发场线刺激辐射发射
图 3通过电激发场线刺激辐射发射

金属系统上的驻波可能会导致排放。

电激励场可以到达位于 PCB 对面的金属部件(电缆、结构部件、屏蔽板,图 4),并且这些部件可以被转移的位移电流激发而产生电振动。

图 4激励场线与相邻金属部件的过耦合
图 4激励场线与相邻金属部件的过耦合

IC电流和发射之间的关系

IC 的电流回路可以位于芯片内部,也可以由 IC 的引脚形成。这些环路穿过 PCB、引脚、引线框架、焊线和芯片的接地系统。例如,这种类型的环路可以通过 Vdd 或 Vss 引脚形成。穿透到外部的 Vdd / Vss 环路可能比位于芯片内部的环路大得多。较大的外环可以产生更强的磁场,通常是造成最高排放的原因。

我们在下文中指的是 PCB 走线。IC 内部的走线遵循相同的原则。

因此,PCB 走线上的声明可以转移到 IC 内部的走线上。

图 5通过互感应刺激辐射发射
图 5通过互感应刺激辐射发射

流入 PCB 走线的引脚电流会建立磁场 H2(图 5)。返回引脚电流还在 GND 系统中产生磁场 H1(图 6)。假设 PCB 接地是一个金属表面,它在整个 PCB 上延伸。走线非常靠近地面,通常只能产生微不足道的发射,如上面的环形天线示例。返回电流的场 H1 感应出自感电压 U Err。在 PCB 的 GND 平面(金属表面)。该电压驱动电缆和连接到它的结构部件,如天线。因此,电缆和结构部件会发射电磁波。

图 6通过互感应刺激辐射发射
图 6通过互感应刺激辐射发射

迹线的磁场 H2(图 5)不会在开放空间中产生任何辐射。这是因为走线靠近接地平面,类似于上面的环形天线示例,从而防止辐射。还有另一条相互作用链会导致磁场辐射发射。这与上面针对字段 H1 描述的类似。为此,必须将金属部件插入到区域 H2 中。如果磁场包围金属部件,则仅通过互感应在那里感应激励电压。激励电压刺激金属部分充当天线。金属部分会发射电磁波。以汽车中PCB附近的转向柱、金属支柱或电缆为例。

IC 引脚的 EMC 参数

IC管脚电流和IC管脚电压是IC管脚相关的EMC参数。IC的电近场和磁近场是IC的场相关EMC参数。IC 的所有四个参数(u、i、E、H)都必须通过合适的测量设备进行检测。

PCB 走线的电近场与引脚电压成正比,PCB 导体回路的磁场近场与 IC 的引脚电流成正比。引脚电流和引脚电压取决于引脚通过连接的 PCB 走线所承受的负载。

IC参数必须使用产生最高管脚电压和最高管脚电流的情况的值。

走线的电流和电压取决于 IC 中的驱动电压和 PCB 走线上负载的阻抗。

如果引脚在短路条件下运行,则测量最大可能的引脚电流。如果引脚在空载条件下运行(开路),则测量最大可能引脚电压。因此,已经确定了最大可能值,并且实际操作中的所有值(在不同 PCB 上的大量测量中确定)都相等或更小。

在特殊情况下,PCB 走线在开路条件下的电压和电近场最高。然后排放潜力最大。

该IC的对应的EMC参数是它的开路电压U(F)。

磁场近场与流过迹线的电流成正比。电流取决于 IC 的驱动电压和走线的负载。特殊情况下可能会发生短路。电流、磁场以及由此产生的排放量达到最大。

IC对应的EMC参数是其短路电流I k (f)。

最大引脚电流和引脚电压值(U l (f)、I k (f))是在引脚短路或开路情况下产生的。在这些情况下,最高排放量是通过上述耦合机制产生的。

因此,IC 的每个引脚都有自己的传导辐射 EMC 参数。IC 引脚的 EMC 参数是其开路电压和短路电流。

图7接近短路和开路条件的引脚参数测量
图7接近短路和开路条件的引脚参数测量

通过在接近开路和短路条件下的测量,可以确定IC大多数引脚的开路电压和短路电流。例如,每个引脚的两个光谱导致 64 引脚 IC 的 128 个光谱。此外,引脚可以具有不同的开关状态(输入、输出 H、L 和高阻抗)。内部功能也可以采用不同的状态(Clk-PLL OFF/ON)。

电源引脚中的电流是根据 1 欧姆方法测量的。如果 1 欧姆的电阻太大,则使用 0.1 欧姆的测量电阻。此测量可在 Vdd 和 Vss 中进行。相应的高阻抗探头和去耦电容可用于测量晶体振荡器引脚上的射频开路电压。晶振的滤波电容可以作为去耦电容。

测量可能会产生大量数据并且变得难以管理。3D 表示提供了结果的清晰概览(图 8)。带有相应软件 (ChipScan ESA) 的定制开发测量设置允许对针光谱进行半自动记录。结果以 3D 形式显示。对于选定的引脚,可以将表示切换为 2D(图 12)。

IC参数的使用

3D 光谱清楚地揭示了实际应用中存在问题的引脚。80 dBµV 范围内的开路电压会导致超过约 10 毫米(在汽车中尤其成问题)。可以从 3D – 2D 频谱中读取临界频率范围。图 12晶体振荡器引脚 15 显示了这一点。临界频率范围扩展到 600 MHz。可以根据 IC 引脚的 EMC 参数将布局和设计导向正确的方向,以节省时间和金钱。在某些 IC 中,个别引脚在发射的传导 EMC 参数方面显示出高值。这些值提供了有关如何以兼容方式使用 PCB 上的 IC 的有用建议。因此,不必将这些 IC 排除在开发之外。IC 用户应在开始开发 PCB 之前确定 IC 的 EMC 参数。

如果在没有这些信息的情况下集成 IC(因为今天仍然是普遍做法),则在测量第一个开发样本之前不会出现问题。这导致耗时的干扰抑制措施(布局更改、设计修改等)的高成本。这种方法还允许从一系列替代品中选择 IC,因为它很可能会导致较低的排放,因此使其 PCB 组件符合 EMC 标准会更容易且成本更低。

可以根据 IC 的 EMC 参数为电子开发创建两个新的有用工具:

引脚相关的开路电压和短路电流谱(3D / 2D)

布局和设计技巧以及 IC 引脚的 EMC 参数

EMC 专家可以从引脚频谱、相互作用(第 1 项和第 2 项)和特殊应用的特征中得出此类设计技巧(对策)。但是,在实践中最好以引脚信息的形式提供设计提示和技巧。IC 引脚的 EMC 参数 U l (f)、I k (f) 可以分组为具有不同风险潜力的频率相关电平范围。必须根据潜在风险建立一定的设计措施障碍。该战略将成为 EMC 未来几年活动的基础。

图8测试IC 01的开路电压
图8测试IC 01的开路电压

开路电压方面的引脚选择性对策示例:

图 8 中的静态端口引脚 16 至 35显示高开路电压。如果多个端口导体连接到 PCB 走线,这会导致通过电场发射。作为对策,走线应该很好地被 GND 包围,而不是位于 PCB 的边缘。

图9测试IC 01的短路电流
图9测试IC 01的短路电流

短路电流方面的引脚选择性对策示例

端口引脚 16 至 35 还提供相对较高的短路值(图 9)。距离较远的滤波电容器会产生临界电流回路。作为对策,滤波电容器应位于 IC 附近或应插入串联电阻。

电源引脚 12、13 在较低频率范围 (< 100 MHz) 和引脚 50、51、52 ​​在中频范围 (约 500 MHz) 中获得高值。作为对策,可以使用电阻器 (< 10 Ohm) 或软铁氧体来衰减通过阻塞电容器的电流回路。隔直电容和 IC 不应太靠近 PCB 的边缘(> 20 mm)。IC 的位置应使 IC 电流回路与 PCB 的最长轴正交。对于宽度不超过 50 毫米的 PCB 尤其如此。IC 电流回路的方向可以使用专为 IC 上的 RF 场测量而设计的场探头进行测量,并作为 IC EMC 场参数提供。

IC引脚EMC参数测量系统

图 10显示了引脚电流和引脚电压测量的测量设置。

图 10引脚电流和引脚电压的测量系统
图 10引脚电流和引脚电压的测量系统
图 10引脚电流和引脚电压的测量系统
图 10引脚电流和引脚电压的测量系统

 

测试 IC (DUT) 放置在嵌入接地平面的测试板上。这提供了一个连续的 GND 表面,作为测量高达 GHz 范围的先决条件。

一个(电压或电流)测量探头,其尖端可以很容易地移动以接触每个引脚,放置在 GND 平面上。测量路径(IC – 针式触点 – 探头)只有几毫米长,因此可以在较短的电气距离内进行测量。IC 由连接板通过滤波器供电和控制(图 10)。连接板集成在地平面中

IC EMC实测案例分析

图 11使用模拟车载电源系统测量 IC 02 应用。
图 11使用模拟车载电源系统测量 IC 02 应用。

在 120 MHz 时超出 24 dB 的限值。原因:电场耦合出连接到 IC 02 的迹线

图 11总结了对车辆部件的测量结果。由于 E 场,在 120 MHz 处发生了 24 dB 的限值违规。这个问题直到开发样机测试后才发现。作为 IC EMC 参数之一的 IC 引脚的开路电压 U l (f) 的测量揭示了原因。

图 12 3D 开路电压测量
图 12 3D 开路电压测量
图 12 2D 开路电压测量
图 12 2D 开路电压测量

在 40 MHz 网格中晶体振荡器的 IC 引脚上测量到异常高的电压(在 120 MHz 时约为 80 dBµV)(图 12中以黑色显示)。

连接到这些引脚的所有线路和金属部件都会发出电场,如物理机制第 1项所述。电场异常强大,会导致 PCB 和线束产生电气振动。

这意味着该场通过以下方式耦合:

通向晶振的IC引脚的焊线和引线框,

从 IC 到晶体振荡器的 15 mm PCB 走线,

晶体振荡器外壳和晶体振荡器接线 3 x 0603 SMD 组件。

在这种情况下,一个合适的补救措施是减少这些金属部件的表面,即缩短走线并将它们嵌入到 GND 中,以使用更小的晶体振荡器外壳。但是,在我们的示例中,这些对策是不够的。引脚的开路电压 U l (f) 如此之高,以至于接合线和引线框架的金属表面大到足以在元件测量过程中导致超出限值。滤波电容不能用于降低晶体振荡器上的电压。直接在 IC 上方的电场屏蔽可以用作最后的补救措施。图 13显示了由于这些对策而取得的积极成果。满足限制值。

图 13采取对策后的验证测量:IC 02 屏蔽防止电场耦合输出。
图 13采取对策后的验证测量:IC 02 屏蔽防止电场耦合输出。

 

今天已经可以确定 IC 的 EMC 特性。如果将获得的值输入到产品数据表中,则很有用。此信息允许开发人员在开发过程中已经规划 PCB 所需的 EMC 措施,以便原则上他们可以使用任何 IC。

确定 IC EMC 参数的测试方法使 IC 制造商能够更有效地开发 IC。

由于模块的不断小型化和大量非常复杂的电子设备,对 IC 的 EMC 评估是电子设备未来发展的重要前提。

IC EMC参数的使用也将对物联网的发展产生积极的影响