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32位数字信号控制器电磁敏感度分析

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资料介绍

研究了传导电磁干扰下,数字信号控制器的电磁抗扰性能预测与分析.针对一种典型32位数字信号控制器,设计了基于直接功率注入法的敏感度测试平台,测试得到了敏感度阈值;并通过S参数测量、输入输出缓冲器信息规范(IBIS)参数提取,建立了集总参数的电磁敏感度仿真预测模型.模型仿真结果与测试结果在10 MHz到1 GHz内具有较好的一致性.

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V01．27，No．10

0ct．，2015

第27卷第10期

2015年10月

强激光

HIGH POWER

与

LASER AND PARTICLE BEAMS

粒子束

32位数字信号控制器电磁敏感度分析。

刘

统，

周长林，

周东方，

钊守国，

高其辉

(解放军信息工程大学信息系统工程学院，郑州450002)

摘要：研究了传导电磁干扰下，数字信号控制器的电磁抗扰性能预测与分析。针对一种典型32位数

字信号控制器，设计了基于直接功率注入法的敏感度测试平台，测试得到了敏感度阈值；并通过S参数测量、

输入输出缓冲器信息规范(IBIS)参数提取，建立了集总参数的电磁敏感度仿真预测模型。模型仿真结果与测

试结果在10 MHz到1 GHz内具有较好的一致性。

关键词：电磁兼容；直接功率注入；电磁敏感度；数字信号控制器；I／O缓冲器

TN973

doi：10．11884／HPLPB201527．103210

中图分类号：

文献标志码：

电磁敏感度是描述电路、设备、系统等在外界电磁干扰下正常工作的能力口]。在日益复杂的电磁环境下，

集成电路、电子设备、系统等面临着严峻的电磁干扰形势。作为电子装备、系统的核心单元，微控制器的电磁敏

感度直接决定着整个设备的电磁兼容性能和系统的功能安全。发展低敏感度的集成电路器件，使之具有强抗

电磁干扰能力，这一目标使得微控制器电磁敏感度研究显得尤为突出和重要[z。4]。微控制器的电磁传导敏感度

(以下简称敏感度)分析，是研究微控制器内部基本结构在传导电磁干扰效应下的失效原理，建立模型并测试验

证。目前，法国Etienne Sicard等人[引、韩国Kwak等人[61以及国内粟涛等人[7]对8位、16位微控制器的敏感

度开展了相关研究，建立了低复杂度微控制器的敏感度模型。随着电子技术和芯片工艺的提升，微控制器复杂

度不断提升，亟需建立与之适应的高复杂度微控制器敏感度模型。为满足复杂微控制器芯片电磁敏感度预测

与分析要求，本文针对一款典型32位数字信号控制器，采用直接功率注人敏感度测试方法，建立了包括I／0

输入路径模型、I／O电源分布网络模型在内的完整敏感度模型，并通过测试验证其在10 MHz到1 GHz可有

效预测芯片的电磁抗扰性能。与国内外同类研究相比，该研究对象结构更加复杂，建模与测试难度更大。本文

首先介绍敏感度测试平台，接着介绍详细的敏感度建模过程，最后，对比分析模型仿真与测试结果。

1敏感度测试平台

1．1测试芯片与电路

数字信号控制器(DSC)兼具数字信号处理器的处理能力和微控制器的功能，被广泛应用于电机控制、汽车

电子、航空航天等领域。较一般的微控制器来说，DSC结构特点复杂，对敏感度分析提出了较大挑战。本文选

nm的

取德州仪器公司生产的典型32位DSC芯片TMS320F2812进行敏感度分析。TMS320F2812采用45

CMOS工艺，176引脚的LQFP封装，具有独立的输入引脚供电网络与内

核供电网络。待测电路板参照国际电工委员会集成电路敏感度测试标

准口3设计制作，如图1所示。待测芯片安装于待测电路板(DUT)底层，

cm× 10

cm)。

其他元件位于电路板顶层(尺寸：10

1．2测试方法

直接功率注入法[81常用于集成电路传导敏感度的测试，主要通过耦

合电容向待测芯片注入干扰谐波的方式实现。具体实现配置如图2所

示。射频干扰源产生频率、功率大小可调的射频干扰信号，经过功率放大

器放大后，由定向耦合器经6．8 nF耦合电容送人DSC输入引脚，同时由

功率计提取注入干扰信号的前向功率(P佑。)；DSC通过内部检测程序判

断输入引脚是否工作正常，并由串口实时发送输入引脚工作状态到上位

卜1u．1

h、ln、-I川L

I L‘

图1测试电路板

*收稿日期：2015一03—31；

修订日期：2015一06—10

基金项目：国家高技术发展计划项目；国家自然科学基金项目(61271104，61201056)

作者简介：刘统(1991一)，男，硕士，从事微处理器电磁兼容方向研究；liuton9910525@163．com。

通信作者：周长林(1961一)，男，副教授，从事可靠性工程与集成电路电磁兼容研究；zhou637196@163．com。

万方数据

强

激

光

与

粒

子

柬

机；最终，通过记录引起DSC输入引脚功能失效的注人

DUT

干扰信号功率及频率，得到DSC敏感度阈值曲线。

其中，射频干扰源、功率放大器、定向耦合器间通过

同轴线连接，以确保射频干扰源到干扰注入接口之间路

径的特征阻抗为50 Q。干扰信号带宽为10 MHz到1

GHz，最大前向功率为25 dBm。待测输入引脚固定输入

低电平信号；外界电磁干扰信号作用于DSC输入引脚

时，将对输人信号的逻辑电平识别产生影响，甚至误判。

因此，一般将电磁干扰下，输入信号逻辑电平的变化作为

DSC失效判据。

IntemaI

failure

detection

I／O

nlcfhod

Set

dlrect

L】p。f I)()wer lnFctlon

Flg

图2直接功率注入敏感度测试方法

2敏感度模型

Sicard等

集成电路传导敏感度模型(ICIM—CI)是最常用的微控制器敏感度分析模型。该模型由Etienne

人提出，现已形成国际电工委员会标准草案踟。ICIM模型基于线性假设，以若干无源器件组成的集总参数模

型来表征芯片的敏感特性。

本文参考ICIM模型，并结合测试芯片结构与硬件测试电

路板，建立了如图3所示的DSC敏感度宏观模型。该模型主要

由干扰注入路径、电源分布网络(PDN)和失效检测模块构成。

其中，干扰注入路径模型包括PCB耦合路径模型和芯片内部敏

感度行为模型，失效检测模块主要由仿真软件完成。

2．1

干扰注入路径建模

PCB耦合路径如图4所示，包括SMA接口、耦合电容、

PCB输入路径。SMA接口模型与耦合电容均考虑寄生参数影

响，根据器件数据手册，通过对比实际阻抗测量结果，精确匹配

modelof DSC

Immunity

Fig．3

建立等效电路模型。PCB输人路径包括3段微带线和1个过

孑L。微带线等效电路通过Hamerstad微带线公式计算得到，包

图3 DSC敏感度宏观模型

括串联电阻和电感以及寄生电容。等效电感L由式(1)计算得到，其中胁为磁导率常数，^为微带线与地平面

间距，硼为微带线线宽。等效电容C由式(2)和(3)计算得到，其中e。为空气介电常数，e，为相对介电常数

(FR4材质电路板e，为4．3)。等效电阻R由微带线横截面和电阻率近似计算得到，见式(4)，其中』D为导体电

Q· cm)，Z为微带线长度，￡为微带线厚度。

阻率(铜箔p一般为1．72× 10．6

PCBtrace

SlnlL】lamm and nlcasuremEml

lnject舯Ih Im雎(knce

Fig．4

Flg．5

(]f

图4 PCB路径

图5干扰注入路径阻抗仿真与测量

L一舞· n(警+兹)

万方数据

刘

统等：32位数字信号控制器电磁敏感度分析

仁薄南

e。H=垒≠』+生亏!(1+10鲁)一号

R—ID去

(3)

(4)

过孔的寄生电容一般可以忽略不计，其等效电路主要由电阻和电感串联表示，具体计算分别见式(5)和

(6)。其中，庇。为过孔高度，r为过孔外径，d为过孔内外径之差。

L=外· n(学)扎5(r一厢)]

(6’

R—lD赢

芯片内部的敏感度行为模型包括芯片引脚封装模型、输人缓冲器模型。芯片引脚封装模型参数由输入输

出缓冲器信息规范(IBIS)文件提供；输入缓冲器模型根据输入引脚特性近似得到，一般包括静电保护(ESD)钳

位二极管、输入缓冲器结构‘5|。干扰注入路径阻抗仿真与实际测量对比如图5所示，完整模型结构如图6所

示。仿真与测试结果在10 MHz到1 GHz内具有较高的拟合度，证明了该等效模型的有效性和准确性。

卡寸F◆

nlodcl

【nJcfI“)n pa¨ 1

lg．f】

图6干扰注入路径模型

2．2 I／O电源分布网络建模

注入干扰信号通过共地噪声传播，将会对I／O的电源分布网络造成影响，从而干扰输入信号逻辑电平的

正常判别，进而影响输入引脚的敏感度阈值。法国Boyer等人‘53基于已知的芯片内部结构，通过对微控制器电

源引脚间多端口S参数测量来提取微控制器电源分布网络的等效电路模型参数，可较好反映微控制器内部电

源分布网络的结构，但不能精确模拟安装在PCB测试电路板后芯片电源分布网络的阻抗变化，而且由于知识

产权保护，一般芯片的内部结构很难获取。本文基于IBIS文件信息和经验值，通过对待测电路板I／O供电网

络与地平面间1端口S参数的测量，提取了I／O电源分布网络模型与参数，如图7所示，模型包括5对电源引

脚的封装等效电路、电源层PCB等效电路和寄生电容。模型阻抗的仿真与实际测量结果对比如图8所示，在

frequency，MHz

PDNmodel

and

Fig．7

ofI／0

Fig．8 Impedance simulation

measurement of PDN

图7 I／O电源分布网络模型

图8

电源分布网络阻抗仿真与测量

万方数据

强

激

光

与

粒

子

束

GHz以下，该模型阻抗仿真与测量结果趋势具有较好的一

致性。

3模型验证

3．1

仿真流程

0|，

本文采用专用集成电路电磁兼容分析软件IC—EMC[1

进行DSC敏感度模型仿真，具体仿真流程如图9所示。对于

给定频率的干扰信号，线性增加其干扰功率P，当DSC输入

引脚满足敏感度失效判据时，通过定向耦合器提取干扰信号

的前向功率Pb，；通过不同干扰频率F的敏感度阈值提取，最

终得到DSC输入引脚的敏感度阈值仿真结果。

3．2仿真结果分析

完整的DSC敏感度模型如图10所示，完整模型仿真与

测试结果对比如图11所示，在射频干扰信号频率不超过1

GHz时，仿真结果与测量结果变化趋势一致，最大误差不超过

flowchart

Simulation

Fig．9

图9仿真流程图

dB。对比有、无I／O电源分布网络的敏感度模型仿真结果，当输入射频干扰信号频率较低时，DSC敏感度主

要受输入路径影响，此时，敏感度较高，抗扰性能较差；当输入射频干扰信号频率较高时，DSC敏感度主要受I／

O电源分布网络影响，此时，敏感度较低，抗扰性能较好。虽然由于测量或者仿真引入的误差，完整的DSC敏

感度模型仿真与测量结果在100～550 MHz之间存在一定偏差，但不影响该模型对DSC敏感度整体趋势的成

功预测。

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卜h聚二咔薅

本文提出了一种32位数字信号控制器的I／O传导敏感度模型，并设计专用测试电路板进行测试验证。

m。‘

-te

I／()susceptlblllty

)sc输入引脚敏感度模型

幽儿l，u敏感发协真与测量

结论

该集总参数模型基于S参数测量以及DSC芯片的非保密信息参数，主要包括干扰注入路径模型和I／O电源分

MHz到1 GHz内具有较高的可信度。本文的研究结果，为复杂

布网络模型。与测试结果对比，该模型在10

电磁环境下，微处理器芯片的电磁敏感度预测分析提供了理论和数据参考；同时也为进一步开展复杂微处理器

电磁敏感度研究提供了技术手段与方法依据。

参考文献：

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on CMOS

frequency

L口sgr口nd Pn川站如BPnms，2012，24(1)：147一151)

interference

inverters．Hig^Potwr

tromagnetic

】032】O一4

万方数据

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a1．Calculation

of the model。f

eIectromagnetic

da，Chen

LnsPr乜nd

and

interference on

circuit board traces．

printed Hig^PowPr

Zhengxin，et

analysis

Pn九把如Be口ms，2014，26：073214)

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of the

90 nm

Asia—Pacific

on Elec—

symposium

a1．Modelling

susceptibility

Input Output Buffer[C]／／IEEE

and

9th InternationaI Zurich

2008：3Z一35．

tromagnetic CompatibiIity

Symposium

Electromagnetic Compatibility．

of buffers the bulk current

I／0

Kwak

K，Nah w，Kim s_{Y．Electromagnetic}

[6]

susceptibility analysis

using

injection method[J]．JD“rnnz

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between radio

and

of the

und盯test of microcontrollers．(1^i以PsP

Jo“r一日Z

hua，Wang

a1．Relationship

frequency immunity

type

SfiPncP，2013，28(4)：735—743．)

o，R口dio

International E1ectrotechnical Commission．IEC62

circuits—Measurement of

150 kHzto 1

GHz

electromagnetic immunity

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—Part

4：Direct

power injection method[s]．2006．

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conducted

L．FutureIEC circuit EMCIC

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circuit model

immunity

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Prop05Ⅱz，2008．

scicard

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E，Boyer

2．5[R]．

0f 32 bit

controller

Electromagnetic susceptibility analysis

digital signal

Zhao Gao

Shouguo，

Liu

Zhou

Tong，

Qihui

Chan91in，

Dongfang，

(j，玎brm口￡ion Sys￡Pm E扎ginPPri挖g工咒s￡i￡“￡P，PLA j，t加r，”n￡io竹E咒gi，ze已ri咒g L7hi口Pr5i￡y，Z^e竹gz^oM 450002，C^i，2n)

1n this

Abslract：

model of 32 bit

con—

paper，an electromagnetic compatibiljty(EMC)conducted immunity

digital signal

tr011er(DSC)is

disturbances

The

model

the

behavior of

microcontroller to

presented．

immunity

predicts

conducted

network of

susceptibility

of the

complex

and

injected

buffer．Two major

model，the

through

input

parts

injection path

buffer information

S—parameter measurement，input output

power^distribution

specification(IBIS)file

the direct

power injection

buffers，are detailed

and

input

according

non—confidential information． The

level of the

controller is

digital

measured

reported

susceptibility

signal

using

measurements

(DPI)method，and

between

and simulated results is

in the

from 10

frequency range

good agreement

MHz to

Key

GHz．

direct

words：

inj ection；

control一

digital signal

electromagnetic compatibility；

power

electromagnetic susceptibility；

1er；

I／0 buffer

PACS：

41．20．Jb；

84．40．一x；

07．50．Hp

103210一5

万方数据

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