Integrinių grandynų testavimas

Pagrindinis privalumas analizuojant įrenginio atsparumą integruoto grandyno (IC) lygyje yra tas, kad toks tyrimas nereikalauja atsižvelgti į minėto įrenginio konstrukcijos įtaką elektromagnetiniam suderinamumui (EMC). Ši analizė apima, pavyzdžiui, spausdintinės plokštės (PCB) dizainą, jungties pobūdį ir prieinamumą bei korpusą. Straipsnyje aprašomas ryšys tarp bandymų įrenginio lygyje ir integruoto grandyno (IC) lygyje.

Įvadas

Užtikrinti atitiktį EMC standartams tampa vis sudėtingesne užduotimi. Technologinė pažanga leido sumažinti komponentų dydį, tačiau taip pat sukėlė specifinį iššūkį – kontroliuoti įrenginio atsparumą elektromagnetinėms trukdžiams.

Dabartiniai atsparumo reikalavimai žymiai padidina įrenginio projektavimo ir gamybos sąnaudas. Tačiau atsparumo bandymai komponentų lygyje (t. y. integruotų grandynų) palengvina identifikavimą ir korekcinių veiksmų taikymą. Atsparumo bandymų rezultatai leidžia preliminariai atrinkti konkrečius integruotus grandynus (įskaitant ASIC) tolimesniam produkto vystymui. Be to, jie gali būti įtraukti į integruotų grandynų analizę ir prisidėti prie komponentų optimizavimo.

Nors pramonėje jau yra bandymų procedūrų, leidžiančių sukaupti platų patirties bagažą integruotų grandynų atsparumo vertinime, dabartinio bandymo metodo koncepcija įveda tam tikrą pokytį. Ji apima trikdžių impulsų tiesioginį taikymą testuojamų integruotų grandynų kaiščiams. Pritaikytų trikdžių forma ir amplitudė yra specialiai parinktos, kad simuliuotų tipiškus reiškinius, su kuriais integruotas grandynas susiduria standartinio įrenginio atsparumo testo metu arba veikdamas trikdžių aplinkoje.

Veikimo metu techninė įranga, objektai ir prietaisai paprastai maitinami impulsiniais trikdžių signalais. Todėl standartiniai įrenginio testai imituoja, pavyzdžiui, kibirkšties susidarymą jungiklio kontakte (burst) arba elektrostatinį iškrovimą (ESD).

Standartinio bandymo atveju atsparumas stebimas aktyviuoju režimu (t. y. veikiančių integruotų grandynų elgesys, maitinamų įtampa). Testo praėjimo kriterijus – nepažeista integruoto grandyno funkcija.

Aplinkos poveikis ar pats testas gali sukelti įtampas ir sroves, ženkliai viršijančias integruotų grandynų maksimaliai nurodytas vertes. Atsparumo analizė integruoto grandyno lygyje turi pranašumą, kad nereikia atsižvelgti į įrenginio konstrukcijos įtaką EMC. Tai apima, pavyzdžiui, PCB dizainą, jungties tipą ir prieinamumą arba korpuso konstrukciją. Be to, atliekant IC lygio atsparumo testus trikdžių poveikis yra mažiau išreikštas nei atliekant viso įrenginio testus – tai leidžia geresnį testų rezultatų kartojamumą. Šiame straipsnyje aprašomas ryšys tarp įrenginio testavimo ir integruotų grandynų kaiščių lygio testavimo.

Įrenginio testavimas

Dėl nuolatinio skaitmenizacijos augimo ir plačiai naudojamų elektroninių komponentų daugelis įrenginių reikalauja aukšto atsparumo lygio. Ypač svarbu atlikti impulsinių trikdžių atsparumo testus, kai tiriami techniniai objektai ir įrenginiai. Tai lemia faktas, kad jie bus veikiami impulsinių trikdžių eksploatacijos metu ir standartinio naudojimo sąlygomis.

1 pav. Greitojo impulsinio trikdžio (burst) laiko kreivė pagal IEC 61000-4-4

2 pav. ESD impulso (elektrostatinio iškrovimo atsparumo testo) laiko kreivė pagal IEC 61000-4-2

Atitinkami trikdžių impulsai (burst ir ESD) atsparumo testuose aprašyti šiuose standartuose: IEC 61000-4-4 „Elektrinis greitasis impulsinis / burst atsparumo testas“ ir IEC 61000-4-2 „Elektrostatinio iškrovimo (ESD) atsparumo testas“:

Su 50 Ω šaltinio impedansu įrenginiui taikomi impulsai, kurių minimalus įtampų diapazonas yra ±2 kV, su kilimo laiku 5 ns ir kritimo laiku 50 ns (pusė amplitudės – žr. 1 pav.). Šie impulsai sudaro BURST impulsus. Su 330 Ω šaltinio impedansu įrenginiui taikomi impulsai, kurių įtampa yra ne mažiau ±6 kV, su kilimo laiku 0,7 ns ir kritimo laiku 5 ns (pusė amplitudės – 2 pav.).

Pagrindiniai įrenginio trikdžių testavimo principai

Norint išbandyti atsparumą, įrenginiui taikomas impulsinės formos trikdis tiek numatytoje vietoje, tiek nepriklausomai nuo jos. Pagrindinis trikdžių impulso (ESD arba burst) įtampa u(t), taikoma įrenginiui, sukelia impulsinį trikdžių srautą i(t) per įrenginį (3 pav.). Du pagrindiniai mechanizmai – magnetinis ir elektrinis laukas (E laukas) – nors vyksta vienu metu, turėtų būti nagrinėjami atskirai.

1. Magnetinio lauko sujungimas H (indukcinis)

Magnetinis laukas H(t) susiformuoja aplink laidininką, nešantį trikdžių srautą i(t). Kuo mažesnė pagrindinės grandinės varža, tuo didesnis srautas ir stipresnis magnetinis laukas H.

Idealiu atveju, lauko stipris aplink tiesinį laidininką apskaičiuojamas pagal formulę (1):



Magnetinio lauko trikdžiai prasiskverbia per įrenginį ir aplinkines dalis, taip pat per spausdintines plokštes. Laidininko kilpos yra PCB arba komponentuose (pvz., IC, 3 pav.). Magnetinio lauko trikdžiai sukuria antrinę trikdžių įtampą u_sec(t) per induktyvumą L – žr. formulę (2):



Ši trikdžių įtampa gali atsirasti, pavyzdžiui, integruoto grandyno vidinėse grandinėse, sukeldama šio komponento veikimo sutrikimus.

2. Elektrinio lauko sujungimas

Pagrindinis trikdžių impulsas (ESD arba burst) įtampa u(t), taikoma įrenginiui, sukelia įtampos kritimą grandinėje (4 pav.). Elektrinis laukas E(t) gaunamas iš įtampos skirtumo per stebimą geometriją. Kuo didesnė pagrindinės srovės kelio varža, tuo didesnis įtampos skirtumas ir aukštesnis E laukas. E laukas perduoda trikdžius kaip poslinkio srovė i(t) antrinėse kilpose, tokiose kaip signalo kabeliai ir/ar integruotų grandynų kaiščiai, per talpinį sujungimą. Šis procesas vyksta per talpą C, kurios reikšmės yra fF diapazone – žr. formulę (3). Trikdžių įtampa generuojama per antrinės kilpos vidinę varžą dėl talpinio srauto i(t). Ši trikdžių įtampa gali būti integruoto grandyno kaištyje ir sukelti trikdžius jo veikime.



Abiem atvejais (sujungimas magnetiniu lauku arba E lauku) trikdis yra sumažinamas vienetu (įrenginio koeficientas) pereinant nuo pagrindinės trikdžių grandinės į antrinę kilpą ir pasiekiant aktyvią elektroninę sistemą (pvz., integruotą grandyną). ESD bandymų metu įrenginiuose dažnai pasitaikančios 6 kV trikdžių įtampos sumažėja iki 0,1 V–kelis šimtus voltų. Šis sumažėjimas priklauso nuo varžos pagrindinėje ir antrinėje trikdžių grandinėse.

Integruoti grandynai, sumontuoti ant spausdintinės plokštės, yra veikiami magnetinių laukų H(t) ir elektrinių laukų E(t).

3 pav. Magnetinio lauko sujungimo mechanizmai elektros įrenginyje

4 pav. E lauko sujungimo mechanizmai elektros įrenginyje

5 pav. Integruoto grandyno sujungimo per magnetinį lauką modelis

Magnetinio lauko (indukcinis) sujungimas integruotuose grandynuose

Magnetinio srauto tankis Bst(t) prasiskverbia į mažiausias laidininko kilpas (pvz., tarp integruoto grandyno ir prijungto izoliacinio kondensatoriaus – 5 pav.). Grandinėje įtampa Ust indukuojama magnetinio srauto Φ pagal (4) ir (5) formules:



Įtampa Ust tiekia trikdžių srovę į integruotą grandyną. Šio trikdžių šaltinio varža yra maža dėl signalo formavimo laidininko kilpoje. Tai gali lemti aukštos intensyvumo srovių Ist(t) susidarymą.

Elektrinio lauko E (talpinis) sujungimas integruotuose grandynuose

Elektrinio lauko intensyvumas E(t) arba poslinkio srovė D(t), susijusi su laidžia paviršiaus dalimi, generuoja trikdžius Ist(t) laidininke (6 pav.). Šie trikdžiai sukelia įtampos padidėjimą Ust(t) laidžiame paviršiuje, kas gali iškraipyti loginį signalą, perduodamą per takelius. Poslinkio srovė Ist(t) taip pat gali sklisti į integruotus grandynus ir sukelti papildomus trikdžius. „Elektrinio lauko“ tipo trikdžių šaltinis turi didelę varžą.

6 pav. Integruoto grandyno sujungimo per E lauką modelis

7 pav. Trikdžių įtampos įvertinimo integruoto grandyno kaištyje pavyzdys, kai sujungiami elektriniai trikdžių laukai

Simuliacija

Toliau pateiktos simuliacijos (7...11 pav.) yra paremtos tam tikrais supaprastinimais. 7 pav. ESD impulso generavimas buvo žymiai supaprastintas. Ekvivalentinė grandinė remiasi talpinio sujungimo principais, parodytais 4 pav.

Trikdžių įtampos integruotame grandyne įvertinimas

Teigiamas trikdžių impulsas su 6 kV amplitude yra įšvirkščiamas kaip kontaktinis išlydžio impulsas į pagrindinę trikdžių grandinę (7 pav.). Piko trikdžių įtampa (Ust) 1,4 kV generuojama pagrindinėje varžoje R1 (8 pav.). Per talpinį sujungimą (E lauko sujungimas) per C1 į aukštos varžos integruoto grandyno kaištį patenka 13,5 V trikdžių įtampa. Pagrindinės trikdžių grandinės varža gali būti žymiai didesnė (1 kΩ), todėl trikdžių įtampa integruoto grandyno kaištyje gali viršyti 100 V, kas kelia rimtą pavojų viršyti integruotų grandynų maksimalią leistiną vertę.

Sujungimo režimai

Sujungimo tipas taip pat priklauso nuo šaltinio varžos ir apkrovos varžos santykio, t. y. integruoto grandyno įėjimo varžos.

8 pav. Sujungtos trikdžių įtampos kreivės ir piko reikšmės pagrindinėse ir antrinėse grandinėse

9 pav. Ekvivalentinė grandinė, vaizduojanti trikdžių sujungimo per elektrinį lauką diferenciavimo efektus

Elektrinio lauko E (talpinis) sujungimas

Su 1 ns kylimo laiku, lemiančiu didžiausią perdavimo dažnį 1 GHz, laikoma, kad talpinė talpa C1 lygi 1 pF. Šios talpos varža X tada yra 159 Ω. Kai integruoto grandyno įėjimo varža yra 10 kΩ, ji yra žymiai didesnė už šaltinio varžą (C1 varžą).
Dėl to šalia esantis trikdžių impulsas R2 (integruotame grandyne) turi tokią pat bangos formą kaip ir originalus trikdžių impulsas. Tai sukelia proporcingą įtampos dalijimą per talpinį daliklį C1, C2.



Visai kitos sąlygos susidaro, kai apkrovos varža yra mažesnė už šaltinio varžą. Toliau pateiktame pavyzdyje R2 = 100 Ω, C1 = 10 fF.



Šiomis sąlygomis pagrindinis trikdžių impulsas integruotame grandyne aiškiai išskiriamas (9 ir 10 pav.).

Magnetinio lauko H sujungimas

H lauko sujungimo atveju sąlygos yra priešingos. Tuščiosios eigos būsenoje:

Ric » Xss diferencijuojama,

Ric ‹ Xss srovė dalijama.

Sujungimo mechanizmų santrauka parodyta 11 pav. H lauko sujungimui laikoma, kad naudojama transformatoriaus ekvivalentinė grandinė su pagrindine induktyvumu (Lh) ir nuotėkio induktyvumu (Ls).



10 pav. Elektrinio lauko trikdžių sujungimo diferencijavimo kreivė

11 pav. Integruotų grandynų sujungimo mechanizmų veikimo sritys: srovių ir įtampų dalijimas/diferencijavimas