Testarea circuitelor integrate

Principalul avantaj în analiza rezistenței dispozitivului la nivelul circuitului integrat (IC) este faptul că această investigație nu necesită să se țină cont de influența construcției dispozitivului menționat asupra compatibilității electromagnetice (EMC). Această analiză include, de exemplu, designul plăcii de circuit imprimat (PCB), natura și accesibilitatea conexiunii și carcasa. Articolul descrie relația dintre testarea la nivel de dispozitiv și testarea la nivelul circuitului integrat (IC).

Introducere

Asigurarea conformității cu standardele EMC devine o sarcină tot mai complexă. Progresul tehnologic a permis reducerea dimensiunii componentelor, dar a generat și o provocare specifică – controlul rezistenței dispozitivului la interferențe electromagnetice.

Cerințele actuale de rezistență cresc semnificativ costurile de proiectare și fabricație ale dispozitivului. Totuși, testele de rezistență la nivelul componentelor (adică al circuitelor integrate) facilitează identificarea și aplicarea măsurilor corective. Rezultatele testelor de rezistență permit selectarea preliminară a circuitelor integrate specifice (inclusiv ASIC) pentru dezvoltarea ulterioară a produsului. În plus, acestea pot fi integrate în analiza circuitelor integrate și contribuie la optimizarea componentelor.

Deși în industrie există deja proceduri de testare care permit acumularea unui vast bagaj de experiență în evaluarea rezistenței circuitelor integrate, conceptul metodei de testare actuale introduce o anumită schimbare. Aceasta implică aplicarea directă a impulsurilor de interferență pe pini ai circuitelor integrate testate. Forma și amplitudinea impulsurilor adaptate sunt special alese pentru a simula fenomene tipice cu care circuitul integrat se confruntă în timpul testului de rezistență standard al dispozitivului sau în mediul de interferențe.

În timpul funcționării, echipamentele, obiectele și aparatele sunt de obicei alimentate cu semnale de interferență impulsionale. Prin urmare, testele standard ale dispozitivului imită, de exemplu, generarea scânteilor la contactul comutatorului (burst) sau descărcarea electrostatică (ESD).

În cazul testului standard, rezistența este monitorizată în regim activ (adică comportamentul circuitelor integrate în funcționare, alimentate cu tensiune). Criteriul de trecere a testului este funcționarea neafectată a circuitului integrat.

Influența mediului sau testul în sine pot provoca tensiuni și curenți care depășesc semnificativ valorile maxime specificate ale circuitelor integrate. Analiza rezistenței la nivelul circuitului integrat are avantajul că nu este necesar să se țină cont de influența construcției dispozitivului asupra EMC. Aceasta include, de exemplu, designul PCB, tipul și accesibilitatea conexiunii sau construcția carcasei. În plus, efectuarea testelor de rezistență la nivelul IC face ca efectul interferențelor să fie mai puțin pronunțat decât în cazul testelor întregului dispozitiv – acest lucru permite o mai bună repetabilitate a rezultatelor testelor. În acest articol este descrisă relația dintre testarea dispozitivului și testarea la nivelul pinilor circuitelor integrate.

Testarea dispozitivului

Datorită creșterii continue a digitalizării și a utilizării pe scară largă a componentelor electronice, multe dispozitive necesită un nivel ridicat de rezistență. Este deosebit de importantă efectuarea testelor de rezistență la interferențe impulsionale când se investighează obiecte și echipamente tehnice. Acest lucru se datorează faptului că acestea vor fi expuse la interferențe impulsionale în timpul exploatării și în condiții de utilizare standard.

Fig. 1. Curba temporală a interferenței impulsionale rapide (burst) conform IEC 61000-4-4

Fig. 2. Curba temporală a impulsului ESD (testul de rezistență la descărcarea electrostatică) conform IEC 61000-4-2

Impulsurile corespunzătoare interferențelor (burst și ESD) în testele de rezistență sunt descrise în următoarele standarde: IEC 61000-4-4 „Testul de rezistență la impulsuri electrice rapide / burst“ și IEC 61000-4-2 „Testul de rezistență la descărcarea electrostatică (ESD)“:

Cu o impedanță a sursei de 50 Ω, dispozitivului i se aplică impulsuri cu un domeniu minim de tensiuni de ±2 kV, cu o creștere de 5 ns și o cădere de 50 ns (jumătate din amplitudine – vezi Fig. 1). Aceste impulsuri constituie impulsurile BURST. Cu o impedanță a sursei de 330 Ω, dispozitivului i se aplică impulsuri cu tensiune de cel puțin ±6 kV, cu o creștere de 0,7 ns și o cădere de 5 ns (jumătate din amplitudine – Fig. 2).

Principiile principale ale testării interferențelor dispozitivului

Pentru a testa rezistența, dispozitivului i se aplică o interferență de formă impulsională atât în locația prevăzută, cât și independent de aceasta. Tensiunea principală a impulsului de interferență (ESD sau burst) u(t), aplicată dispozitivului, generează un curent impulsional de interferență i(t) prin dispozitiv (Fig. 3). Două mecanisme principale – câmpul magnetic și câmpul electric (câmpul E) – deși se produc simultan, ar trebui analizate separat.

1. Cuplarea prin câmp magnetic H (inductivă)

Câmpul magnetic H(t) se formează în jurul conductorului care transportă curentul de interferență i(t). Cu cât rezistența circuitului principal este mai mică, cu atât curentul este mai mare și câmpul magnetic H mai puternic.

În mod ideal, intensitatea câmpului în jurul unui conductor liniar este calculată conform formulei (1):



Interferențele câmpului magnetic pătrund prin dispozitiv și componentele înconjurătoare, precum și prin plăcile de circuit imprimat. Bucla conductorului este PCB-ul sau componentele (de ex., IC, Fig. 3). Interferențele câmpului magnetic generează o tensiune secundară de interferență u_sec(t) prin inductanța L – vezi formula (2):



Această tensiune de interferență poate apărea, de exemplu, în circuitele interne ale circuitului integrat, cauzând disfuncționalități ale componentei.

2. Cuplarea prin câmp electric

Tensiunea principală a impulsului de interferență (ESD sau burst) u(t), aplicată dispozitivului, cauzează o cădere de tensiune în circuit (Fig. 4). Câmpul electric E(t) este obținut din diferența de tensiune peste geometria analizată. Cu cât rezistența pe traseul curentului principal este mai mare, cu atât diferența de tensiune este mai mare și câmpul E mai intens. Câmpul E transmite interferențele ca un curent de deplasare i(t) în buclele secundare, cum ar fi cablurile de semnal și/sau pinii circuitelor integrate, prin cuplare capacitivă. Acest proces are loc printr-un condensator C, a cărui valoare este în domeniul fF – vezi formula (3). Tensiunea de interferență este generată prin rezistența internă a buclei secundare datorită curentului capacitiv i(t). Această tensiune de interferență poate apărea în pinul circuitului integrat și poate cauza interferențe în funcționarea acestuia.



În ambele cazuri (cuplare prin câmp magnetic sau câmp E), interferența este redusă printr-un factor (coeficientul dispozitivului) când se trece de la circuitul principal de interferență la bucla secundară și apoi la sistemul electronic activ (de ex., circuitul integrat). În testele ESD, tensiunile frecvent întâlnite de 6 kV în dispozitive scad la valori între 0,1 V și câteva sute de volți. Această reducere depinde de rezistența din circuitele principale și secundare de interferență.

Circuitele integrate, montate pe placa de circuit imprimat, sunt expuse câmpurilor magnetice H(t) și câmpurilor electrice E(t).

Fig. 3. Mecanismele de cuplare a câmpului magnetic în dispozitivul electric

Fig. 4. Mecanismele de cuplare a câmpului E în dispozitivul electric

Fig. 5. Modelul de cuplare a circuitului integrat prin câmp magnetic

Cuplarea câmpului magnetic (inductivă) în circuitele integrate

Densitatea fluxului magnetic Bst(t) pătrunde în cele mai mici bucle ale conductorului (de ex., între circuitul integrat și condensatorul izolator conectat – Fig. 5). Tensiunea în circuit Ust este indusă de fluxul magnetic Φ conform formulelor (4) și (5):



Tensiunea Ust furnizează curentul de interferență către circuitul integrat. Rezistența acestei surse de interferență este mică datorită buclei de conductor de formare a semnalului. Acest lucru poate duce la apariția unor curenți de intensitate ridicată Ist(t).

Cuplarea câmpului electric E (capacitivă) în circuitele integrate

Intensitatea câmpului electric E(t) sau curentul de deplasare D(t), asociat cu o parte conductoare a suprafeței, generează interferențe Ist(t) în conductor (Fig. 6). Aceste interferențe provoacă creșterea tensiunii Ust(t) pe suprafața conductoare, ceea ce poate distorsiona semnalul logic transmis prin trasee. Curentul de deplasare Ist(t) poate, de asemenea, să pătrundă în circuitele integrate și să provoace interferențe suplimentare. Sursa de interferență de tip „câmp electric” are o rezistență mare.

Fig. 6. Modelul de cuplare a circuitului integrat prin câmp E

Fig. 7. Exemplu de evaluare a tensiunii de interferență pe pinul circuitului integrat, când se combină câmpurile electrice de interferență

Simulare

Simulările prezentate mai jos (fig. 7...11) se bazează pe anumite simplificări. Generarea impulsului ESD din fig. 7 a fost semnificativ simplificată. Circuitul echivalent se bazează pe principiile cuplajului capacitiv, prezentate în fig. 4.

Evaluarea tensiunii perturbatoare în circuitul integrat

Un impuls perturbator pozitiv cu amplitudinea de 6 kV este injectat ca un impuls de descărcare de contact în circuitul principal de perturbare (fig. 7). Tensiunea maximă a perturbării (Ust) de 1,4 kV este generată în rezistența principală R1 (fig. 8). Prin cuplaj capacitiv (cuplaj electric) prin C1, o tensiune perturbatoare de 13,5 V ajunge la pinul circuitului integrat cu rezistență mare. Rezistența circuitului principal de perturbare poate fi mult mai mare (1 kΩ), astfel încât tensiunea perturbatoare la pinul circuitului integrat poate depăși 100 V, ceea ce prezintă un risc serios de a depăși valoarea maximă admisă a circuitelor integrate.

Moduri de cuplaj

Tipul de cuplaj depinde, de asemenea, de raportul dintre rezistența sursei și rezistența sarcinii, adică rezistența de intrare a circuitului integrat.

Fig. 8 Curbele tensiunii perturbatoare cuplate și valorile maxime în circuitele principale și secundare

Fig. 9 Circuit echivalent ilustrând efectele diferențierii cuplajului perturbărilor prin câmp electric

Cuplajul câmpului electric E (capacitiv)

Cu un timp de creștere de 1 ns, conducând la o frecvență maximă de transmisie de 1 GHz, se consideră că capacitatea capacitivă C1 este egală cu 1 pF. Rezistența acestei capacități X este atunci de 159 Ω. Când rezistența de intrare a circuitului integrat este de 10 kΩ, aceasta este mult mai mare decât rezistența sursei (rezistența lui C1).
Din această cauză, impulsul perturbator adiacent R2 (în circuitul integrat) are aceeași formă de undă ca impulsul perturbator original. Aceasta cauzează o împărțire proporțională a tensiunii prin divizorul capacitiv C1, C2.



Condiții complet diferite apar atunci când rezistența sarcinii este mai mică decât rezistența sursei. În exemplul următor R2 = 100 Ω, C1 = 10 fF.



În aceste condiții, impulsul perturbator principal în circuitul integrat este clar diferențiat (fig. 9 și 10).

Cuplajul câmpului magnetic H

În cazul cuplajului câmpului H, condițiile sunt opuse. În stare de sarcină deschisă:

Ric » Xss este diferențiat,

Ric ‹ Xss curentul este împărțit.

Un rezumat al mecanismelor de cuplaj este prezentat în fig. 11. Pentru cuplajul câmpului H se consideră utilizarea unui circuit echivalent de transformator cu inductanța principală (Lh) și inductanța de pierdere (Ls).



Fig. 10 Curba diferențierii cuplajului perturbărilor câmpului electric

Fig. 11 Domeniile de funcționare ale mecanismelor de cuplaj pentru circuitele integrate: împărțirea/diferențierea curenților și tensiunilor