當今，集成電路的電磁兼容性越來越受到重視。電子設備和系統(tǒng)的生產商努力改進他們的產品以滿足電磁兼容規(guī)范，降低電磁發(fā)射和增強抗干擾能力。過去，集成電路生產商關心的只是成本，應用領域和使用性能，幾乎很少考慮電磁兼容的問題。即使單片集成電路通常不會產生較大的輻射，但它還是經常成為電子系統(tǒng)輻射發(fā)射的根源。當大量的數字信號瞬間同時切換時便會產生許多的高頻分量。
尤其是近年來，集成電路的頻率越來越高，集成的晶體管數目越來越多，集成電路的電源電壓越來越低，加工芯片的特征尺寸進一步減小，越來越多的功能，甚至是一個完整的系統(tǒng)都能夠被集成到單個芯片之中，這些發(fā)展都使得芯片級電磁兼容顯得尤為突出?，F在，集成電路生產商也要考慮自己產品電磁兼容方面的問題。
集成電路電磁兼容的標準化
由于集成電路的電磁兼容是一個相對較新的學科，盡管對于電子設備及子系統(tǒng)已經有了較詳細的電磁兼容標準，但對于集成電路來說其測試標準卻相對滯后。國際電工委員會第47A技術分委會(IEC SC47A)早在1990年就開始專注于集成電路的電磁兼容標準研究。此外，北美的汽車工程協會也開始制定自己的集成電路電磁兼容測試標準SAE J 1752，主要是發(fā)射測試的部分。1997年，IEC SC47A下屬的第九工作組WG9成立，專門負責集成電路電磁兼容測試方法的研究，參考了各國的建議，至今相繼出版了150kHz－1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試標準IEC61967和集成電路電磁抗擾度標準IEC62132 。此外，在脈沖抗擾度方面，WG9也正在制定對應的標準IEC62215。
目前，IEC61967標準用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試，包括以下六個部分：
第一部分：通用條件和定義(參考SAE J1752.1)；
第二部分：輻射發(fā)射測量方法——TEM小室法(參考SAE J1752.3)；
第三部分：輻射發(fā)射測量方法——表面掃描法(參考SAE J1752.2)；
第四部分：傳導發(fā)射測量方法——1Ω/150Ω直接耦合法；
第五部分：傳導發(fā)射測量方法——法拉第籠法WFC(workbench faraday cage)；
第六部分：傳導發(fā)射測量方法——磁場探頭法。
IEC62132標準，用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁抗擾度測試，包括以下五部分：
第一部分：通用條件和定義；
第二部分：輻射抗擾度測量方法—— TEM小室法 ；
第三部分：傳導抗擾度測量方法——大量電流注入法(BCI) ；
第四部分：傳導抗擾度測量方法——直接射頻功率注入法(DPI) ；
第五部分：傳導抗擾度測量方法——法拉第籠法(WFC)。
IEC62215標準，用于集成電路脈沖抗擾度測試，包括以下三部分，但尚未正式出版：
第一部分：通用條件和定義；
第二部分：傳導抗擾度測量方法——同步脈沖注入法 ；
第三部分：傳導抗擾度測量方法——隨機脈沖注入法參考(IEC61000-4-2和IEC61000-4-4) 。
下文主要針對IEC61967 和IEC62132的測試方法進行講解。
集成電路電磁兼容測試方法
電磁發(fā)射測試標準——IEC61967
第一部分：通用條件和定義
傳感器：TEM小室、場探頭等；
頻譜儀或接收機：頻率范圍覆蓋150kHz-1GHz，峰值檢波、帶最大值保持功能，分辨率帶寬的設置如下表：
表一 分辨率帶寬的選擇
電源：用電池供電或采用低射頻噪聲的電源；
測試溫度：23℃±5℃；
環(huán)境噪聲：除被測IC外其余外圍電路供電時，所測到的背景噪聲低于限值至少6dB，必要時可采用前置放大器；
測試電路板：通常集成電路測試需要安裝在一塊印制電路板上，為提高測試的方便性與重復性，標準規(guī)定了電路板的規(guī)格，如下圖所示，標準電路板的大小與TEM小室頂端的開口大小匹配，板上既可以集成IEC61967發(fā)射測試需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配網絡，磁場探頭法測試用的跡線，也可以集成IEC62132-4用到的耦合電容。
圖一 標準集成電路測試板
第二部分：輻射發(fā)射測量方法——TEM小室法
圖二 TEM小室法輻射發(fā)射測試示意圖
TEM小室其實就是一個變型的同軸線：在此同軸線中部，由一塊扁平的芯板作為內導體，外導體為方形，兩端呈錐形向通用的同軸器件過渡，一頭連接同軸線到測試接收機，另一頭連接匹配負載，如下圖所示。小室的外導體頂端有一個方形開口用于安裝測試電路板。其中，集成電路的一側安裝在小室內側，互連線和外圍電路的一側向外。這樣做使測到的輻射發(fā)射主要來源于被測的IC芯片。受測芯片產生的高頻電流在互連導線上流動，那些焊接引腳、封裝連線就充當了輻射發(fā)射天線。當測試頻率低于TEM小室的一階高次模頻率時，只有主模TEM模傳輸，此時TEM小室端口的測試電壓與騷擾源的發(fā)射大小有較好的定量關系，因此，可用此電壓值來評定集成電路芯片的輻射發(fā)射大小。
第三部分：輻射發(fā)射測量方法——表面掃描法
圖三 表面掃描法測試圖
IEC 61967標準中的這一部分可測試集成電路表面電場和磁場的空間分布狀態(tài)，測試示意圖如下所示：使用電場探頭或磁場探頭機械地掃過集成電路的表面，記錄每次的頻率、發(fā)射值和探頭的空間位置，通過軟件進行后處理，各頻率點場強的空間分布圖可用有色圖譜形象地表示出來。這種方法所能達到的效果與機械定位系統(tǒng)的精度及所用探頭的尺寸密切相關。此方法可以用于一般的PCB板，所以未必要采用IEC61967-1中推薦的標準測試電路板。通過對集成電路表面進行電場和磁場掃描，可以準確地定位集成電路封裝內電磁輻射過大的區(qū)域。標準推薦使用部分屏蔽的微型電場探頭和單匝的微型磁場探頭，這兩種近場探頭都可用0.5mm的半剛體同軸電纜制作。
第四部分：傳導發(fā)射測量方法——1Ω/150Ω直接耦合法
圖四 1Ω/150Ω直接耦合法測試示意圖
IEC61967－4分為兩種方法：1Ω測試法和150Ω測試法。1Ω測試法用來測試接地引腳上的總騷擾電流，150Ω測試法用來測試輸出端口的騷擾電壓。離開芯片的射頻電流匯流到集成電路的接地引腳，因此對地回路射頻電流的測量可較好地反映集成電路的電磁騷擾大小。用1Ω的電阻串聯在地回路中，一方面可用來取得地環(huán)路的射頻電流；另一方面，可實現測試設備與接地引腳端的阻抗匹配。150Ω測試法可用來測試單根或多根輸出信號線的騷擾電壓，150Ω阻抗代表線束共模阻抗的統(tǒng)計平均值。為實現150Ω共模阻抗與50Ω的測試系統(tǒng)阻抗的匹配，必須采用阻抗匹配網絡。測試示意圖如下所示。
第五部分：傳導發(fā)射測量方法——法拉第籠法(WFC)
圖五 法拉第籠法發(fā)射測試示意圖
法拉第籠法可測試電源線和輸入輸出信號線上的傳導騷擾電壓。將裝有集成電路的標準電路板或應用電路板放入法拉第籠中，電源線和信號線進出法拉第籠都要經過濾波處理，法拉第籠上測試端口接測試儀器，待測端口接50Ω匹配負載，較好的屏蔽環(huán)境降低了測試的背景噪聲，測試路徑串聯100Ω電阻用來實現150Ω共模阻抗與50Ω射頻阻抗的匹配，測試原理圖如下所示。
第六部分：傳導發(fā)射測量方法——磁場探頭法
圖六 磁場探頭法測試示意圖
磁場探頭法是通過測試PCB板導線上的電流來評定集成電路的電磁發(fā)射。芯片引腳通過PCB板上的導線與電源或外圍電路相連，因而它產生的射頻電流可用一個靠近的磁場探頭獲取，由電磁感應定律，探頭輸出端的電壓正比于導線上的射頻電流。磁場探頭的結構細節(jié)和推薦尺寸在標準中有詳細描述，測試示意圖如下所示：
集成電路電磁抗擾度測試方法——IEC62132
第一部分：通用條件和定義
為了評定芯片的抗擾度性能，需要一個易于實現且可復現的測試方法。芯片的抗擾度可分為輻射抗擾度和傳導抗擾度，需要得到集成電路發(fā)生故障時的射頻功率大小?？箶_度測試將集成電路工作的性能狀態(tài)分為五個等級，測試時，連續(xù)波和調幅波測試要分別進行，調制方式也是采用1kHz 80％調制深度的峰值電平恒定調幅，這些要求都與汽車零部件的抗擾度測試標準ISO11452相似。
第二部分：輻射抗擾度測量方法—— TEM小室法
圖七 TEM小室法法輻射抗擾度測試示意圖
IEC61967-2中的TEM小室也可以用來進行抗擾度的測試，小室一端將接收機換成信號源和功放，小室另一端接適當的匹配負載。在小室中建立起來的TEM波與遠場的TEM波非常類似，因而適合用來進行電磁抗擾度的測試。此外，為了實時地監(jiān)視集成電路的工作狀態(tài)，還需要配套的狀態(tài)監(jiān)視設備。測試示意圖如下：
第三部分：傳導抗擾度測量方法——大量電流注入法(BCI)
圖八 BCI測試示意圖
本方法是對連接到集成電路引腳的單根線纜或線束注入干擾功率，通過注入探頭被測電纜由于感性耦合而產生干擾電流，此電流的大小可由另一個電流探頭測出。這種方法其實是由汽車電子抗擾度測試發(fā)展而來的,可參見ISO11452-4，測試示意圖如下所示：
第四部分：傳導抗擾度測量方法——直接射頻功率注入法(DPI)
圖九 DPI測試示意圖
與BCI方法采用感性注入相對應，DPI方法采用容性注入。射頻信號直接注入在芯片單只引腳或一組引腳上，耦合電容同時起到了隔直的作用，避免了直流電壓直接加在功放的輸出端，測試示意圖如下所示：
第五部分：傳導抗擾度測量方法——法拉第籠法WFC
圖十 法拉第籠法抗擾度測試示意圖
法拉第籠傳導抗擾度測量法采用IEC61967－5的法拉第籠，只須將接收機替換成信號源和功放，測試示意圖如下所示。屏蔽的結構和良好的濾波使得射頻干擾信號被限制在法拉第籠內部，可有效地保護測試操作人員。
R&S公司的測試系統(tǒng)解決方案
針對IEC61967的各項測試，R&S公司采用認證型的接收機R&S ESCI，結合各種附件，即可完成集成電路電磁發(fā)射測試標準。R&S ESCI同時具有接收機和頻譜儀的功能，完全符合標準CISPR16-1-1。工作頻率范圍是9kHz-3GHz，內置預選器和20dB的預放，帶有峰值、準峰值、有效值、線性平均和CISPR平均檢波器，各檢波器可以用條形圖顯示，且?guī)в蟹逯当３止δ?，通過GPIB總線接口可由R&S EMC32軟件包實現遠程控制，發(fā)射測試配置如下圖所示：
圖十一 集成電路電磁發(fā)射測試配置圖
針對IEC62132的各項抗擾度測試，R&S公司采用集成測試系統(tǒng)R&S IMS，結合各種附件，即可完成所有的集成電路抗擾度測試。R&S IMS是一款緊湊型的測試設備，覆蓋頻率9 kHz 到3 GHz，內置了信號源、切換開關、功率計和功放，同時也可控制外置功放；通過GPIB總線接口可由R&S EMC32軟件包實現遠程控制，抗擾度測試配置如下圖所示。
圖十二 集成電路電磁抗擾度測試配置圖
隨著工作頻率及芯片復雜度的不斷增長，集成電路電磁輻射及抗擾度測試也需要繼續(xù)發(fā)展以適應新的要求：測試向高頻方向發(fā)展，為了突破1GHz的限值，不少國家和企業(yè)已經采用GTEM 小室的方法，彌補TEM 小室測試頻率限值的不足；脈沖抗擾度測試的標準化也正在進行中，標準IEC62215即將出版，與IEC62132互補，更加全面地考慮到了集成電路遭受電磁干擾時的情形。
尤其是近年來，集成電路的頻率越來越高，集成的晶體管數目越來越多，集成電路的電源電壓越來越低，加工芯片的特征尺寸進一步減小，越來越多的功能，甚至是一個完整的系統(tǒng)都能夠被集成到單個芯片之中，這些發(fā)展都使得芯片級電磁兼容顯得尤為突出?，F在，集成電路生產商也要考慮自己產品電磁兼容方面的問題。
集成電路電磁兼容的標準化
由于集成電路的電磁兼容是一個相對較新的學科，盡管對于電子設備及子系統(tǒng)已經有了較詳細的電磁兼容標準，但對于集成電路來說其測試標準卻相對滯后。國際電工委員會第47A技術分委會(IEC SC47A)早在1990年就開始專注于集成電路的電磁兼容標準研究。此外，北美的汽車工程協會也開始制定自己的集成電路電磁兼容測試標準SAE J 1752，主要是發(fā)射測試的部分。1997年，IEC SC47A下屬的第九工作組WG9成立，專門負責集成電路電磁兼容測試方法的研究，參考了各國的建議，至今相繼出版了150kHz－1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試標準IEC61967和集成電路電磁抗擾度標準IEC62132 。此外，在脈沖抗擾度方面，WG9也正在制定對應的標準IEC62215。
目前，IEC61967標準用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試，包括以下六個部分：
第一部分：通用條件和定義(參考SAE J1752.1)；
第二部分：輻射發(fā)射測量方法——TEM小室法(參考SAE J1752.3)；
第三部分：輻射發(fā)射測量方法——表面掃描法(參考SAE J1752.2)；
第四部分：傳導發(fā)射測量方法——1Ω/150Ω直接耦合法；
第五部分：傳導發(fā)射測量方法——法拉第籠法WFC(workbench faraday cage)；
第六部分：傳導發(fā)射測量方法——磁場探頭法。
IEC62132標準，用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁抗擾度測試，包括以下五部分：
第一部分：通用條件和定義；
第二部分：輻射抗擾度測量方法—— TEM小室法 ；
第三部分：傳導抗擾度測量方法——大量電流注入法(BCI) ；
第四部分：傳導抗擾度測量方法——直接射頻功率注入法(DPI) ；
第五部分：傳導抗擾度測量方法——法拉第籠法(WFC)。
IEC62215標準，用于集成電路脈沖抗擾度測試，包括以下三部分，但尚未正式出版：
第一部分：通用條件和定義；
第二部分：傳導抗擾度測量方法——同步脈沖注入法 ；
第三部分：傳導抗擾度測量方法——隨機脈沖注入法參考(IEC61000-4-2和IEC61000-4-4) 。
下文主要針對IEC61967 和IEC62132的測試方法進行講解。
集成電路電磁兼容測試方法
電磁發(fā)射測試標準——IEC61967
第一部分：通用條件和定義
傳感器：TEM小室、場探頭等；
頻譜儀或接收機：頻率范圍覆蓋150kHz-1GHz，峰值檢波、帶最大值保持功能，分辨率帶寬的設置如下表：
表一 分辨率帶寬的選擇
電源：用電池供電或采用低射頻噪聲的電源；
測試溫度：23℃±5℃；
環(huán)境噪聲：除被測IC外其余外圍電路供電時，所測到的背景噪聲低于限值至少6dB，必要時可采用前置放大器；
測試電路板：通常集成電路測試需要安裝在一塊印制電路板上，為提高測試的方便性與重復性，標準規(guī)定了電路板的規(guī)格，如下圖所示，標準電路板的大小與TEM小室頂端的開口大小匹配，板上既可以集成IEC61967發(fā)射測試需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配網絡，磁場探頭法測試用的跡線，也可以集成IEC62132-4用到的耦合電容。
圖一 標準集成電路測試板
第二部分：輻射發(fā)射測量方法——TEM小室法
圖二 TEM小室法輻射發(fā)射測試示意圖
TEM小室其實就是一個變型的同軸線：在此同軸線中部，由一塊扁平的芯板作為內導體，外導體為方形，兩端呈錐形向通用的同軸器件過渡，一頭連接同軸線到測試接收機，另一頭連接匹配負載，如下圖所示。小室的外導體頂端有一個方形開口用于安裝測試電路板。其中，集成電路的一側安裝在小室內側，互連線和外圍電路的一側向外。這樣做使測到的輻射發(fā)射主要來源于被測的IC芯片。受測芯片產生的高頻電流在互連導線上流動，那些焊接引腳、封裝連線就充當了輻射發(fā)射天線。當測試頻率低于TEM小室的一階高次模頻率時，只有主模TEM模傳輸，此時TEM小室端口的測試電壓與騷擾源的發(fā)射大小有較好的定量關系，因此，可用此電壓值來評定集成電路芯片的輻射發(fā)射大小。
第三部分：輻射發(fā)射測量方法——表面掃描法
圖三 表面掃描法測試圖
IEC 61967標準中的這一部分可測試集成電路表面電場和磁場的空間分布狀態(tài)，測試示意圖如下所示：使用電場探頭或磁場探頭機械地掃過集成電路的表面，記錄每次的頻率、發(fā)射值和探頭的空間位置，通過軟件進行后處理，各頻率點場強的空間分布圖可用有色圖譜形象地表示出來。這種方法所能達到的效果與機械定位系統(tǒng)的精度及所用探頭的尺寸密切相關。此方法可以用于一般的PCB板，所以未必要采用IEC61967-1中推薦的標準測試電路板。通過對集成電路表面進行電場和磁場掃描，可以準確地定位集成電路封裝內電磁輻射過大的區(qū)域。標準推薦使用部分屏蔽的微型電場探頭和單匝的微型磁場探頭，這兩種近場探頭都可用0.5mm的半剛體同軸電纜制作。
第四部分：傳導發(fā)射測量方法——1Ω/150Ω直接耦合法
圖四 1Ω/150Ω直接耦合法測試示意圖
IEC61967－4分為兩種方法：1Ω測試法和150Ω測試法。1Ω測試法用來測試接地引腳上的總騷擾電流，150Ω測試法用來測試輸出端口的騷擾電壓。離開芯片的射頻電流匯流到集成電路的接地引腳，因此對地回路射頻電流的測量可較好地反映集成電路的電磁騷擾大小。用1Ω的電阻串聯在地回路中，一方面可用來取得地環(huán)路的射頻電流；另一方面，可實現測試設備與接地引腳端的阻抗匹配。150Ω測試法可用來測試單根或多根輸出信號線的騷擾電壓，150Ω阻抗代表線束共模阻抗的統(tǒng)計平均值。為實現150Ω共模阻抗與50Ω的測試系統(tǒng)阻抗的匹配，必須采用阻抗匹配網絡。測試示意圖如下所示。
第五部分：傳導發(fā)射測量方法——法拉第籠法(WFC)
圖五 法拉第籠法發(fā)射測試示意圖
法拉第籠法可測試電源線和輸入輸出信號線上的傳導騷擾電壓。將裝有集成電路的標準電路板或應用電路板放入法拉第籠中，電源線和信號線進出法拉第籠都要經過濾波處理，法拉第籠上測試端口接測試儀器，待測端口接50Ω匹配負載，較好的屏蔽環(huán)境降低了測試的背景噪聲，測試路徑串聯100Ω電阻用來實現150Ω共模阻抗與50Ω射頻阻抗的匹配，測試原理圖如下所示。
第六部分：傳導發(fā)射測量方法——磁場探頭法
圖六 磁場探頭法測試示意圖
磁場探頭法是通過測試PCB板導線上的電流來評定集成電路的電磁發(fā)射。芯片引腳通過PCB板上的導線與電源或外圍電路相連，因而它產生的射頻電流可用一個靠近的磁場探頭獲取，由電磁感應定律，探頭輸出端的電壓正比于導線上的射頻電流。磁場探頭的結構細節(jié)和推薦尺寸在標準中有詳細描述，測試示意圖如下所示：
集成電路電磁抗擾度測試方法——IEC62132
第一部分：通用條件和定義
為了評定芯片的抗擾度性能，需要一個易于實現且可復現的測試方法。芯片的抗擾度可分為輻射抗擾度和傳導抗擾度，需要得到集成電路發(fā)生故障時的射頻功率大小?？箶_度測試將集成電路工作的性能狀態(tài)分為五個等級，測試時，連續(xù)波和調幅波測試要分別進行，調制方式也是采用1kHz 80％調制深度的峰值電平恒定調幅，這些要求都與汽車零部件的抗擾度測試標準ISO11452相似。
第二部分：輻射抗擾度測量方法—— TEM小室法
圖七 TEM小室法法輻射抗擾度測試示意圖
IEC61967-2中的TEM小室也可以用來進行抗擾度的測試，小室一端將接收機換成信號源和功放，小室另一端接適當的匹配負載。在小室中建立起來的TEM波與遠場的TEM波非常類似，因而適合用來進行電磁抗擾度的測試。此外，為了實時地監(jiān)視集成電路的工作狀態(tài)，還需要配套的狀態(tài)監(jiān)視設備。測試示意圖如下：
第三部分：傳導抗擾度測量方法——大量電流注入法(BCI)
圖八 BCI測試示意圖
本方法是對連接到集成電路引腳的單根線纜或線束注入干擾功率，通過注入探頭被測電纜由于感性耦合而產生干擾電流，此電流的大小可由另一個電流探頭測出。這種方法其實是由汽車電子抗擾度測試發(fā)展而來的,可參見ISO11452-4，測試示意圖如下所示：
第四部分：傳導抗擾度測量方法——直接射頻功率注入法(DPI)
圖九 DPI測試示意圖
與BCI方法采用感性注入相對應，DPI方法采用容性注入。射頻信號直接注入在芯片單只引腳或一組引腳上，耦合電容同時起到了隔直的作用，避免了直流電壓直接加在功放的輸出端，測試示意圖如下所示：
第五部分：傳導抗擾度測量方法——法拉第籠法WFC
圖十 法拉第籠法抗擾度測試示意圖
法拉第籠傳導抗擾度測量法采用IEC61967－5的法拉第籠，只須將接收機替換成信號源和功放，測試示意圖如下所示。屏蔽的結構和良好的濾波使得射頻干擾信號被限制在法拉第籠內部，可有效地保護測試操作人員。
R&S公司的測試系統(tǒng)解決方案
針對IEC61967的各項測試，R&S公司采用認證型的接收機R&S ESCI，結合各種附件，即可完成集成電路電磁發(fā)射測試標準。R&S ESCI同時具有接收機和頻譜儀的功能，完全符合標準CISPR16-1-1。工作頻率范圍是9kHz-3GHz，內置預選器和20dB的預放，帶有峰值、準峰值、有效值、線性平均和CISPR平均檢波器，各檢波器可以用條形圖顯示，且?guī)в蟹逯当３止δ?，通過GPIB總線接口可由R&S EMC32軟件包實現遠程控制，發(fā)射測試配置如下圖所示：
圖十一 集成電路電磁發(fā)射測試配置圖
針對IEC62132的各項抗擾度測試，R&S公司采用集成測試系統(tǒng)R&S IMS，結合各種附件，即可完成所有的集成電路抗擾度測試。R&S IMS是一款緊湊型的測試設備，覆蓋頻率9 kHz 到3 GHz，內置了信號源、切換開關、功率計和功放，同時也可控制外置功放；通過GPIB總線接口可由R&S EMC32軟件包實現遠程控制，抗擾度測試配置如下圖所示。
圖十二 集成電路電磁抗擾度測試配置圖
隨著工作頻率及芯片復雜度的不斷增長，集成電路電磁輻射及抗擾度測試也需要繼續(xù)發(fā)展以適應新的要求：測試向高頻方向發(fā)展，為了突破1GHz的限值，不少國家和企業(yè)已經采用GTEM 小室的方法，彌補TEM 小室測試頻率限值的不足；脈沖抗擾度測試的標準化也正在進行中，標準IEC62215即將出版，與IEC62132互補，更加全面地考慮到了集成電路遭受電磁干擾時的情形。
