Integrált áramkörök tesztelése

A készülék áramkörszintű (IC) immunitásának elemzésének fő előnye, hogy ez a vizsgálat nem igényli a készülék kialakításának (például NYÁK-tervezés, csatlakozók, burkolatok megléte és jellege) elektromágneses összeférhetőségére (EMC) gyakorolt hatásának figyelembevételét. A cikk bemutatja az eszközszintű és az áramkörszintű (IC) tesztelés közötti kapcsolatot.

Bevezetés

Az EMC szabványoknak való megfelelés biztosítása egyre nagyobb kihívást jelent. A technológiai fejlődés lehetővé tette az alkatrészek méretének csökkentését, de egyben új kihívást is teremtett: az eszközök elektromágneses zavarokkal szembeni immunitásának ellenőrzését.

A jelenlegi immunitási követelmények jelentősen növelik az eszközök tervezési és gyártási költségeit. Azonban az alkatrészek (azaz integrált áramkörök) szintjén végzett immunitási vizsgálatok megkönnyítik a hibák azonosítását és a korrekciós intézkedések meghozatalát. Az immunitási vizsgálatok eredményei lehetővé teszik bizonyos integrált áramkörök (beleértve az ASIC-eket is) előzetes kiválasztását a termék további fejlesztéséhez. Ezen túlmenően felhasználhatók az integrált áramkörök elemzésében, és hozzájárulnak az alkatrészek optimalizálásához.

Bár az iparban már léteznek bevált vizsgálati eljárások, amelyek lehetővé tették az integrált áramkörök immunitásának értékelésével kapcsolatos széleskörű tapasztalatok felhalmozását, a jelenlegi vizsgálati módszer koncepciója bizonyos változást hoz. Ez a zavaró impulzusok közvetlen alkalmazását jelenti a vizsgált integrált áramkörök kivezetéseire. A zavaró jelek formáját és amplitúdóját úgy választják meg, hogy szimulálják azokat a tipikus jelenségeket, amelyeknek egy integrált áramkör ki van téve egy szabványos eszköz immunitási teszt vagy a működés közbeni zavaró környezet során.

A működés során a műszaki berendezések, tárgyak és eszközök gyakran impulzusszerű zavaró jeleknek vannak kitéve. Ezért a szabványos eszközvizsgálatok például a kapcsolóérintkezők szikraképződését (burst) vagy elektrosztatikus kisülést (ESD) szimulálják.

A szabványos vizsgálati módszer esetén az immunitást aktív módban értékelik (azaz feszültség alatt lévő aktív integrált áramkörök viselkedése alapján). A vizsgálat sikerességének kritériuma az integrált áramkör zavartalan működése.

A környezet vagy maga a vizsgálat olyan feszültségeket és áramokat generálhat, amelyek jelentősen meghaladják az integrált áramkörökre előírt maximális értékeket. Az áramkörszintű immunitáselemzés előnye, hogy nem szükséges figyelembe venni az eszköz kialakítását az EMC szempontjából. Ez magában foglalja például a NYÁK-tervet, a csatlakozók típusát és rendelkezésre állását, vagy a burkolat kialakítását. Továbbá, az IC-szintű immunitási vizsgálatok során a zavarhatások kevésbé kifejezettek, mint egy teljes eszköz tesztelésekor, ami jobb eredményismételhetőséget eredményez. Ez a cikk bemutatja az eszköz- és az IC-kivezetések tesztelésének kapcsolatát.

Eszközvizsgálat

A digitalizálás folyamatos növekedése és az elektronikus alkatrészek széles körű alkalmazása miatt számos eszköz esetében magas szintű immunitásra van szükség. Különösen fontos az impulzusszerű zavarokkal szembeni immunitás vizsgálata a műszaki objektumok és eszközök értékelése során. Ez azért van, mert működésük és szabványos használatuk során impulzusszerű zavaroknak lesznek kitéve.

1. ábra. A burst impulzus időbeli lefutása (gyors tranziens zavarokkal szembeni immunitás vizsgálat) az IEC 61000-4-4 szerint

2. ábra. Az ESD impulzus időbeli lefutása (elektrosztatikus kisüléssel szembeni immunitás vizsgálat) az IEC 61000-4-2 szerint

Az immunitási vizsgálatok során alkalmazott megfelelő zavarimpulzusokat (burst és ESD) az alábbi szabványok írják le: IEC 61000-4-4 „Gyors tranziens elektromos zavarokkal szembeni immunitás vizsgálata / burst” és IEC 61000-4-2 „Elektrosztatikus kisüléssel szembeni immunitás vizsgálata (ESD)”:

50 Ω forrásimpedancia mellett legalább ±2 kV-os impulzusokat alkalmaznak az eszközre, 5 ns emelkedési idővel és 50 ns esési idővel (félérték – lásd 1. ábra). Ezek az impulzusok a BURST impulzusok. 330 Ω forrásimpedancia mellett legalább ±6 kV-os impulzusokat alkalmaznak az eszközre, 0,7 ns emelkedési és 5 ns esési idővel (félérték – 2. ábra).

Az interferenciatesztek alapelvei az eszközökön

Az immunitási teszteknél impulzusszerű zavarjelet alkalmaznak az eszközre, mind a tervezett helyen, mind attól függetlenül. Az eszközre alkalmazott elsődleges zavaró feszültség (ESD vagy burst) u(t) impulzusszerű zavaráramot i(t) idéz elő, amely átfolyik az eszközön (3. ábra). Két alapvető mechanizmus – mágneses csatolás és elektromos tér (E-tér) általi csatolás – egyidejűleg lép fel, de külön-külön kell őket figyelembe venni.

1. Mágneses (induktív) H csatolás

A zavaró áram i(t) által létrehozott H(t) mágneses tér a vezető körül alakul ki. Minél kisebb az elsődleges kör impedanciája, annál nagyobb az áram, és így annál erősebb a mágneses tér H.

Ideálisan, az egyenes vezető körüli tér intenzitása a (1) képlettel határozható meg:



A mágneses tér zavarjelei behatolnak az eszközbe és a környező alkatrészekbe, valamint a nyomtatott áramköri lapokba. A vezetőhurok a PCB-n vagy az alkatrészekben (pl. IC, 3. ábra) találhatók. A mágneses tér zavarjelei másodlagos zavarfeszültséget u_sec(t) hoznak létre az L induktivitáson keresztül – lásd a (2) képletet:



Ez a zavarfeszültség például a belső IC áramkörökben is megjelenhet, ami az eszköz hibás működését okozhatja.

2. Elektromos tér általi csatolás

Az eszközre alkalmazott alap zavarimpulzus (ESD vagy burst) feszültség u(t) feszültségesést idéz elő az áramkörben (4. ábra). Az E(t) elektromos tér a feszültségkülönbségből származik az adott geometriai viszonyok mentén. Minél nagyobb az elsődleges áramút impedanciája, annál nagyobb a feszültségkülönbség, és így annál erősebb az E tér. Az E tér zavarjelet közvetít eltolási áram i(t) formájában másodlagos hurkokba, például jelvezetékekbe vagy IC-lábakba, kapacitív csatolással. Ez a folyamat egy C kapacitáson keresztül történik, amely értéke fF nagyságrendű – lásd a (3) képletet. A kapacitív módon csatolt i(t) áram a másodlagos hurok belső ellenállásán feszültséget idéz elő. Ez a zavarfeszültség az IC lábain is megjelenhet, és működési zavarokat okozhat.



Mindkét esetben (mágneses vagy elektromos tér okozta csatolás) a zavarjelek egy csillapítási tényező (eszköz tényező) hatására csökkennek, amikor az elsődleges zavaráramkörből a másodlagos hurokba jutnak, és ott az aktív elektronikus rendszerben (pl. IC) jelennek meg. Az ESD tesztek során gyakori 6 kV-os zavarimpulzusok a másodlagos körben 0,1 V és több száz volt közötti értékre csökkennek. Ez a csökkenés az elsődleges és másodlagos zavaráramkör impedanciájától függ.

A nyomtatott áramköri lapokra szerelt IC-k ki vannak téve H(t) mágneses és E(t) elektromos tereknek.

3. ábra. Mágneses csatolás mechanizmusai egy elektromos eszközben

4. ábra. Elektromos tér csatolás mechanizmusai egy elektromos eszközben

5. ábra. Mágneses térrel történő csatolási modell IC esetén

Mágneses (induktív) csatolás integrált áramkörökben

A mágneses fluxus sűrűsége Bst(t) behatol a kisebb vezető hurkokba (pl. IC és hozzákapcsolt zavarszűrő kondenzátor között – 5. ábra). A Φ mágneses fluxus által a hurokban indukált feszültség az Ust, amelyet a (4) és (5) képletek írnak le:



Az Ust feszültség zavaráramot juttat az IC-be. Ennek a zavarforrásnak az impedanciája alacsony a vezető hurok által keltett jelek miatt. Ez nagy intenzitású zavaráramokat Ist(t) idézhet elő.

Elektromos (kapacitív) csatolás integrált áramkörökben

Az E(t) elektromos tér intenzitása vagy a vezető felületen megjelenő eltolási áram D(t) zavaráramot Ist(t) kelt a vezetőben (6. ábra). Ezek a zavarok Ust(t) feszültségnövekedést okoznak a vezető felületén, amely torzíthatja a logikai jeleket az áramköri vezetékeken. Az eltolási áram Ist(t) szintén eljuthat az IC-be, és további zavarokat okozhat. Az ilyen típusú "elektromos tér" zavarforrás nagy impedanciával rendelkezik.

6. ábra. Elektromos térrel történő csatolási modell IC esetén

7. ábra. Példa zavarfeszültség értékelésére IC lábánál elektromos tér csatolás esetén

Szimuláció

A következő szimulációk (7...11. ábrák) bizonyos egyszerűsítő feltételezéseken alapulnak. A 7. ábrán az ESD impulzus generálása jelentősen egyszerűsítve lett. A megfelelő áramköri modell a 4. ábrán bemutatott kapacitív csatolás elvein alapul.

Zavarfeszültség értékelése az integrált áramkörben

Egy 6 kV amplitúdójú pozitív zavarimpulzus kerül befecskendezésre érintkezési kisülés formájában az elsődleges zavaráramkörbe (7. ábra). Egy maximális zavarfeszültség (Ust) 1,4 kV keletkezik az elsődleges impedancián, R1-en (8. ábra). Egy 13,5 V-os zavarfeszültség marad meg az IC magas impedanciájú lábán kapacitív csatolás (E-tér csatolás) révén, C1-en keresztül. Az elsődleges zavaráramkör impedanciája lényegesen nagyobb is lehet (1 kΩ), ami azt eredményezi, hogy az IC lábán mérhető zavarfeszültség meghaladhatja a 100 V-ot, ami komoly kockázatot jelent az IC-k megengedett maximális értékeinek túllépésére.

Csatolási módok

A csatolás típusa függ a forrás impedanciája és a terhelés impedanciája, vagyis az IC bemeneti impedanciája közötti aránytól is.

8. ábra. Zavarfeszültség csúcsértékei az elsődleges és másodlagos áramkörben

9. ábra. Az elektromos tér csatolás okozta interferenciahatások differenciálásának megfelelő áramköri modellje

Elektromos tér (E) csatolás (kapacitív)

1 ns-es felfutási idővel, ami 1 GHz maximális átvitelsebességet eredményez, a kapacitív csatolás C1 értéke 1 pF. Ennek kapacitásnak az impedanciája X ekkor 159 Ω. Ha az IC bemeneti ellenállása 10 kΩ, az lényegesen nagyobb, mint a forrás impedanciája (C1 impedanciája).
Ennek eredményeként a zavarpulzus R2-nél (az IC-ben) ugyanolyan hullámformájú, mint az eredeti interferenciapulzus. Ez arányos feszültségosztást okoz a kapacitív osztó C1 és C2 között.



Teljesen más feltételek állnak fenn, ha a terhelési impedancia kisebb, mint a forrás impedanciája. A következő példa ezt feltételezi: R2 = 100 Ω, C1 = 10 fF.



Ebben az esetben a fő interferenciapulzust differenciálják az IC-ben (9. és 10. ábra).

Mágneses tér (H) csatolás

A H-tér csatolásánál az ellenkező feltételek érvényesek. Nyugalmi állapotban:

Ric » Xss differenciálódik,

Ric ‹ Xss áram osztódik.

A csatolási mechanizmusok összefoglalása a 11. ábrán látható. A H-tér csatolásánál egy primer (Lh) és egy szórt (Ls) induktivitással rendelkező transzformátor megfelelő áramköri modellje feltételezhető.



10. ábra. Az elektromos tér csatolás okozta interferenciahatások differenciáló görbéje

11. ábra. Csatolási mechanizmusok működési tartományai az integrált áramkörben: áram- és feszültségosztás/differenciálás