集成電路產業是我國高新技術產業的一個重要部分,它帶動了其它產業的蓬勃發展,集成電路已成為各個行業中電子、機電設備智能化的核心,起著十分重要的作用。
近年來越來越多的電路設計人員和應用人員開展集成電路的EMC設計和測試方法的研究,EMC性已成為衡量集成電路性能的又一重要技術指標。隨著集成電路集成度的提高,越來越多的功率電感等元件集成到芯片上,電路的功能和密度增加了,傳輸脈沖電流的速度提高了,工作電壓降低了,集成電路本身的電磁騷擾與電感抗干擾問題已成為集成電路的設計、制造業關注的課題。集成電路EMC的研究不僅涉及集成電路自身的電磁騷擾與抗擾度測試和設計方法研究,而且有必要與集成電路的應用相結合,將強制性標準對設備和系統的EMC要求,結合到集成電路的設計中,使電路更易于設計出符合標準的最終產品。電磁騷擾小的集成電路更有利于產品的EMC設計,可以減少系統設計的負擔,節約濾波、屏蔽電感等措施的費用,因此開展集成電路的EMC設計和檢測研究能為電路的應用提供設計指南,一體成型電感廠家節約最終產品的成本。
集成電路的廣泛應用,反過來對其又提出了更高的要求,人們需要性能更好、可靠性高、成本更低模壓電感生產廠家的集成電路。從20世紀60年代以來正如摩爾定律預計的那樣每隔18到24個月芯片上的元件數翻了一番,出現了在芯片的價格持續降低的同時,性能和可靠性不斷提高的行業特點。集成的元件數的提高可以通過減小芯片上的關鍵尺寸(CD)或最小化特征尺寸來實現,這樣在集成度提高的同時芯片的速度也提高了。由于集成電路通過高速的脈沖數字信號來進行工作,工作頻率越高產生的電磁騷擾頻譜越寬,越容易引起對外輻射的EMC方面的問題。
二、研究對象
在集成電路電磁騷擾研究檢測領域,通常將直接從芯片上的電路和集成電路封裝產生的電磁發射稱為輻射騷擾;將由集成電路引腳注入到印制電路板的布線或電纜上的脈沖電流引起的電磁發電感器生產廠家射稱為傳導騷擾1。一般芯片上的電路和集成電路封裝產生的直接輻射騷擾比由射頻電流通過外圍電路產生的電磁輻射小得多。從電磁發射的角度來看,電路板上布線與連接電纜構成了電磁發射的天線。
由集成電路內部產生的射頻電流,通過引腳和與之相連的PCB 板上的連線向外發射,引腳和連線形成了等效的發射天線,產生了無意發射。向外發射功率的大小可由式(1)來計算:
其中Rr為無意發射天線的等效發射阻抗,IRF為IC工作時產生的射頻電流。由此可以看出評價集成電路傳導騷擾可通過測量集成電路引腳的射頻電流來進行。在數字集成電路中,該射頻電流是由電路芯片和驅動電路產生的脈沖射頻電流。如圖(一)是集成電路的電流分布示意圖,ZL 為連接輸出端口外圍電路的等效阻抗,IP 為輸出電平由低電平到高電平時的輸出電流,ISS 為輸出電平由高電平到低電平時的輸出電流,ICC 為輸出級電路的供電電源的電流。當電路工作時,瞬時脈沖電流一部分從旁路電容CB得到,另一部分來自供電電源IPS。經過旁路電容的電流大小與旁路電容相對于集成電路的放置位置、布線情況、電容的特性有關,即與連接旁路電容的串聯阻抗、諧振頻率等電容本身的特性有關。通常旁路電容為高頻信號提供一個低阻抗回路,這樣電流的高頻部分由電容來提
供,其余由電源提供形成輸出電流。
圖(一)數字集成電路的芯片與I/O電路電流分布
可以看出,外圍電路的變化會對電流的分布情況產生影響,因而測試應在專門設計的電路板上進行。在確定的電路板上,集成電路的電磁發射的水平,可通過測出的電源端和輸出端口電流來描述。
三、集成電路電磁騷擾標準發展狀況