數字信號控制器電磁敏感度的環境溫度影響研究

周長林 梁臻鶴 余道杰 釗守國 錢志升

(解放軍信息工程大學信息系統工程學院,鄭州 450001)

數字信號控制器電磁敏感度的環境溫度影響研究

周長林 梁臻鶴 余道杰 釗守國 錢志升

(解放軍信息工程大學信息系統工程學院,鄭州 450001)

針對典型數字信號控制器(Digital Signal Controller,DSC)的電磁兼容問題,提出了電磁特性與溫度特性相結合的分析方法,研究了環境溫度對其傳導電磁敏感度的影響. 結合電磁敏感度行為級模型結構,分析了電磁干擾的作用機制,導出了DSC中金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)器件閾值電壓和遷移率隨環境溫度的變化關系； 利用直接功率注入與環境溫度聯合控制技術,從實驗和仿真兩個方面分析了模型各部分特征參數在不同溫度下的變化,揭示了電磁敏感度在不同環境溫度下變化的內在因素,并測試了不同溫度下典型DSC的電磁敏感度閾值. 結果表明,DSC敏感度行為單元中MOS器件閾值電壓和遷移率在不同溫度下的變化,會造成其電磁敏感度隨環境溫度產生顯著漂移.

電磁兼容性； 電磁敏感度； 直接功率注入； 環境溫度； 數字信號控制器

引 言

電子設備在航空航天、汽車電子等領域應用廣泛,惡劣的工作環境帶來了多種物理場的協同作用,如溫度場、電磁場等,這些因素都會使電子設備的電磁性能產生降級[1-2],甚至威脅整體系統的電磁安全和功能安全．集成電路(Integrated Circuit,IC)作為電子設備的基礎部件,其電磁特性關乎著整體系統的電磁兼容性能．因此,在電子設備電磁兼容性的研究中,環境因素對IC電磁性能的影響不可忽略[3-4]．

IC電磁兼容研究已受到國內外學者的廣泛關注[5-6],但相關的測試和建模標準中,針對環境因素對其電磁兼容性影響的考慮還不充分．文獻[7]中提出了IC電磁健壯性的概念,將電磁兼容性研究和環境效應相結合,研究了IC全壽命周期的電磁功能安全．已有的電磁兼容環境效應研究主要針對高低溫、過電壓等條件下,加速老化效應使IC電磁發射和敏感性發生改變的現象,并提出了電磁兼容老化效應預測的一般方法[8-9]．隨著IC的應用環境日趨復雜,其電磁敏感度(以下簡稱為敏感度)隨環境溫度變化產生漂移的現象,為系統功能帶來的安全隱患逐漸凸顯[10]．特別是數字信號控制器(Digital Signal Controller,DSC)等復雜的可編程IC,被視為精準測控系統的核心單元,其復雜環境下的敏感度將直接決定著系統的電磁功能安全[11-12]．但是,目前針對實時變化的環境溫度對IC電磁兼容性的研究較少．

本文以DSC為例,研究復雜IC芯片傳導敏感度的環境溫度影響．針對典型32位DSC芯片,結合其敏感度模型結構分析了電磁干擾的作用機制,并研究了DSC內部金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)器件的溫度特性,對其閾值電壓和遷移率的溫度影響規律進行了計算、分析．基于直接功率注入法設計了敏感度溫度效應測試平臺,通過測試和仿真總結了DSC無源分布網絡和敏感度行為單元特征參數在不同環境溫度下的變化規律．在不同溫度下提取了DSC的敏感度閾值,最終揭示了不同工作環境溫度下DSC敏感度的變化及原因．本文研究對提高芯片的抗電磁干擾性能和環境適應能力具有參考價值．

1 理論分析

1.1 敏感度特性

電磁敏感度是芯片和設備抗電磁干擾的能力,外界電磁騷擾信號通過耦合路徑耦合到受體電路,導致電路發生故障或者功能出現錯誤,從而產生敏感度問題．研究芯片的敏感度,首先應當建立其敏感度模型．出于對知識產權的保護,芯片制造廠商不可能將芯片的內部結構告知用戶．因此,敏感度模型需要建立在外部測試數據和已知原理結構的基礎上[13]．

根據IEC62433-4建模標準,圖1展示了DSC的傳導敏感度行為級模型結構[14]．射頻干擾信號通過無源分布網絡耦合至敏感度行為單元,對敏感度行為單元的正常響應造成影響,根據其響應情況,結合失效判據準則即可對芯片的失效情況進行判別．無源分布網絡和敏感度行為單元是DSC敏感度模型中的關鍵單元．無源分布網絡由干擾注入路徑和電源分布網絡組成,是干擾信號的耦合通道； 敏感度行為單元由輸入緩沖器等部分構成,是完成輸入信號轉換和識別的重要部分．模型中各單元特征參數的變化都可能使DSC的敏感性發生改變,分析敏感度的溫度影響,就需要掌握模型各部分特征參數的溫度影響規律．

圖1 DSC傳導敏感度行為級模型結構

1.2 MOS器件溫度特性

DSC中含有大量的MOS器件,如圖2所示其敏感度行為單元的等效模型,主要由MOS器件構成的施密特觸發器和反相器組成．MOS器件是典型的溫度敏感器件,不同的溫度會造成閾值電壓VT和遷移率μ產生漂移[15]．其閾值電壓可表示為:

(1)

(2)

式中:VTN為N溝道MOS(N-channel MOS, NMOS)的閾值電壓；VTP為P溝道MOS(P-channel MOS, PMOS)的閾值電壓；ε0、εr為介電常數；q為電子電荷；N為摻雜濃度；Cox為氧化層電容；Qox為界面態與固定正電荷；φms為金屬對硅的功函數；φf為半導體靜電平衡勢壘,是關于溫度的函數,表達式為

(3)

式中:k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；ni為本征半導體濃度,表達式為

(4)

式中,Eg為禁帶寬度,基本上與溫度無關,可以作為一個常數．

MOS的遷移率為

(5)

式中,A為常數．將式(3)和式(4)代入到式(1)和式(2)中,并將式(1)、(2)、(5)對溫度T求導可得:

(6)

(7)

(8)

式中,nio為式(4)的系數,其值為3.87×1016．

圖2 敏感度行為單元等效模型

由式(6)、(7)和(8)可得,MOS器件的閾值電壓和遷移率均是隨溫度變化的函數,并且,MOS器件閾值電壓的絕對值會隨著溫度的升高逐漸減小,遷移率也會隨著溫度的升高逐漸降低．MOS器件的溫度特性會使其漏極和源極之間的電壓和電流發生變化,進而改變整體電路的輸入輸出轉移關系．

2 敏感度溫度效應測試平臺

敏感度溫度效應測試平臺是利用直接功率注入[16]和環境溫度聯合控制技術,實現環境溫度對敏感度閾值影響的測量．射頻信號發生器產生的正弦干擾信號通過功率放大器進行放大,并經過定向耦合器注入測試電路板上待測器件(DevicesUnderTest,DUT)的某一通用輸入輸出引腳(GeneralPurposeInputOutput,GPIO)．射頻干擾信號的帶寬為10MHz～1GHz,最大注入功率為25dBm．DUT是TI生產的32位DSCTMS320F2812,兼具高速信號處理和復雜控制功能,廣泛應用于精準測控系統等領域,運行溫度范圍為-40 ℃～85 ℃．專用測試電路板上包含一個DUT和干擾注入路徑上的6.8nF耦合電容．DUT內部程序控制芯片連續讀取輸入引腳邏輯電平,并將讀取到的邏輯電平復制到另一輸出引腳上．原始輸入信號被固定為低電平,當干擾信號耦合進入輸入引腳并使DUT產生誤判時,記錄下干擾信號的前向功率和頻率作為敏感度閾值．為保證DUT正常運行,需要構建一個最小系統來提供支持．1.8V和3.3V電源電壓由一個電源板產生,作為時鐘信號的30MHz方波信號由信號發生器產生．

為控制DUT的工作環境溫度,僅將待測電路板置于一個誤差小于±1 ℃的恒溫箱內,電源板等輔助設備和測試設備置于恒溫箱外,測試平臺結構圖如圖3所示．測試選取的溫度范圍為-20 ℃～80 ℃,其中每10 ℃作為一個測試點,提取DUT的敏感度閾值．測試過程中,矢量網絡分析儀被用來監測無源分布網絡的阻抗參數,示波器被用來監測DSC的系統時鐘頻率和引腳失效情況．

圖3 敏感度溫度效應測試平臺結構圖

3 測量與仿真分析

3.1 無源分布網絡溫度影響

根據傳導敏感度模型,DSC的無源分布網絡可以等效成電阻、電容和電感構成的集總參數電路．本文在不同環境溫度通過矢量網絡分析儀監測這些部分阻抗參數的變化情況．

干擾注入路徑主要由印制電路板(PrintedCircuitBoard,PCB)路徑、6.8nF耦合電容和芯片封裝構成,他們的寄生效應決定了整體的阻抗特性．干擾注入路徑上的6.8nF貼片電容直接暴露于變化的環境溫度中,其阻抗受不同溫度影響的現象應特別受到關注．通過對不同溫度下該電容的阻抗參數進行測量,得到典型溫度下測量結果,如圖4所示,-20 ℃和80 ℃下的兩條曲線展示了阻抗參數的最大漂移情況．在10MHz～2GHz頻率范圍內,該電容的阻抗參數保持了很好的溫度一致性,但當頻率超過2GHz時,不同溫度會使其寄生效應發生明顯變化．

圖4 典型溫度下6.8 nF耦合電容阻抗測試結果

與之相似,完整注入路徑的阻抗參數在典型溫度下的測試結果如圖5所示,頻率在10MHz～2GHz范圍內,阻抗參數保持了良好的溫度一致性．由于完整注入路徑中多種寄生效應的共同作用,使得其第一諧振點出現的頻率較耦合電容向右偏移,且當頻率超過2GHz時,由于耦合電容的阻抗特性在這一頻段內隨溫度的變化產生了漂移,因此導致完整注入路徑上阻抗特性顯著改變．本實驗注入干擾信號的頻率為10MHz～1GHz,在這一頻段內,完整注入路徑的阻抗特性在不同測試溫度下均保持了較好的一致性,即可認為,在不同溫度測試過程中干擾信號被無差別的耦合入DSC內部,而干擾注入

圖5 典型溫度下干擾注入路徑阻抗測試結果

路徑阻抗特性的溫度效應不會造成DSC敏感度發生改變．

電源分布網絡主要由電源引腳封裝和電源層電路構成．干擾信號通過輸入引腳進入DSC內部后,一部分噪聲會通過電源分布網絡耦合到敏感度行為單元,影響敏感度行為單元的正常響應．典型溫度下電源分布網絡阻抗特性的測試結果如圖6所示,而全部測試結果曲線均在-20 ℃和80 ℃曲線的包絡內,隨溫度升高依次排列．在10MHz～3GHz范圍內,電源分布網絡阻抗參數會隨溫度的變化產生微弱的漂移,而前期對該DSC室溫下敏感度的研究表明,電源分布網絡對其敏感度閾值的影響有限,其阻抗參數微弱的漂移不會對敏感度的趨勢造成明顯改變[17]．因此,溫度對電源分布網絡阻抗參數的影響在敏感度的測試中可以忽略．

圖6 典型溫度下電源分布網絡阻抗測試結果

3.2 敏感度行為單元溫度影響

DSC的敏感度行為單元主要實現了輸入模擬信號轉換為可識別數字邏輯電平的功能,其等效模型如圖2所示．實驗中原始低電平輸入信號與干擾信號相混合送至輸入端口,在敏感度行為單元中完成電平轉換,并在系統時鐘的控制下進行高低電平識別．當輸出端口的信號幅度超過2V電平判決門限時,就被判為高電平,即DSC發生誤識別,從而導致邏輯錯誤的發生．在邏輯電平判別的過程中,系統時鐘頻率和信號轉換電路的輸入輸出特性均會對識別過程產生影響．

文獻[18]表明,不同的系統時鐘頻率會使DSC的敏感度閾值產生明顯的漂移．為驗證變化的溫度是否通過影響鎖相環電路,造成系統時鐘頻率改變,利用示波器通過時鐘輸出引腳監測不同溫度下的系統時鐘,其頻率測試結果如表1所示．該DSC的鎖相環電路具有良好的溫度穩定性,雖然時鐘信號的峰值隨溫度的變化有微弱漂移,但其值始終能滿足要求,且系統時鐘的時序關系在不同溫度下未發生變化．輸入緩沖器對輸入信號的采樣周期和間隔不存在差別,因此本實驗中忽略系統時鐘隨溫度變化對敏感度閾值的影響．

表1 不同溫度下系統時鐘頻率

輸入緩沖器作為輸入信號識別和轉換的關鍵部分,主要由MOS器件構成的電路組成．由于DSC中MOS器件的具體型號及制造工藝屬于芯片生產廠商的保密范疇,我們無法計算其內部參數與溫度之間的精確關系．參考一般常用MOS器件的特性,在測試溫度范圍內(-20 ℃～80 ℃),閾值電壓會產生大約10%的漂移,遷移率則會產生大約50%的漂移．對圖2所示模型,在輸入端注入功率為8dBm、頻率為500MHz的正弦干擾信號,分別仿真閾值電壓和遷移率變化前后的輸出結果,如圖7所示．20 ℃下MOS器件特性未發生改變時,輸出信號幅度均小于電平判別門限,依然被判別為低電平,與沒有干擾信號時的判別結果保持一致； 而隨著溫度的降低,假設某一溫度使MOS器件的遷移率升高20%、閾值電壓升高5%,這就使得輸出響應中出現了幅度高于判別門限的部分,并最終導致邏輯電平判別時出現高電平信號,造成對輸入信號的誤識別,從而導致邏輯錯誤的發生．

圖7 MOS參數變化對敏感度行為單元輸出響應的影響

從500MHz干擾信號的仿真結果可以看出,降低的溫度通過影響MOS器件的閾值電壓和遷移率,直接影響了DSC對輸入信號的識別,導致該頻點處的敏感度閾值下降．對于相同的干擾信號,不同的環境溫度會產生不同的響應結果,并最終造成敏感度閾值的漂移．

4 敏感度溫度效應測試結果

對于同一個引腳,其敏感度在不同環境溫度下的測試結果如圖8所示．當干擾信號的頻率升高到某一頻點處時,DSC的敏感度會顯著降低,超過最大注入功率．當干擾信號的頻率大于700MHz時,敏感度閾值均超過25dBm,圖中不作展示．由圖8(a)所示典型溫度下敏感度閾值可得,變化的環境溫度使DSC的敏感度產生了明顯的漂移,尤其當干擾信號的頻率較高時,溫度對敏感度閾值的影響逐漸增大,最大處漂移甚至超過了±10dB．

(a) 典型溫度下的敏感度閾值

(b) 不同干擾頻段內平均敏感度閾值圖8 不同溫度下敏感度測試結果

為了進一步分析溫度、干擾信號頻率與敏感度閾值之間的關系,對每100MHz頻段內DSC的敏感度等級進行平均,結果如圖8(b)所示．干擾信號頻率在200MHz以下的兩條平均敏感度曲線幾乎重合,且當干擾信號頻率在10～300MHz時,溫度對DSC平均敏感度的影響較小,產生的漂移不超過0.5dB,溫度與平均敏感度之間沒有嚴格的相關關系．而當干擾信號的頻率超過300MHz時,溫度的影響開始逐漸變大,隨著溫度的升高,每100MHz頻段內的平均敏感度逐漸降低,尤其是在高頻部分,這種漂移愈加嚴重．

由于環境溫度的不同,DSC的敏感度發生了顯著的變化,這種現象在工程應用中可能引發嚴重的電磁兼容問題,甚至導致事故發生．

5 結論與展望

本文針對變化的環境溫度對敏感度造成威脅的現象,研究了DSC傳導敏感度的溫度效應及其內在原因．結合敏感度模型結構分析了電磁干擾的作用機制,并推導了DSC內部大量存在的MOS器件的溫度特性．對模型各部分特征參數進行了測量和仿真分析，得到溫度對無源分布網絡阻抗特性的影響可以忽略,干擾信號在耦合進入敏感度行為單元之前不會產生改變,對于敏感度行為單元,溫度不會影響系統時鐘頻率,但會通過改變MOS器件的閾值電壓和遷移率,使相同干擾信號下的電壓轉換結果發生變化,造成信號判別發生錯誤,進而使敏感度閾值隨溫度變化發生漂移．最后,通過實驗驗證了不同溫度下DSC的敏感度閾值隨溫度發生漂移的現象．溫度每改變10 ℃,漂移甚至超過10dB．

針對目前電磁兼容性研究中對環境溫度因素考慮不足的問題,本文以DSC為例,將環境溫度因素考慮到IC傳導敏感度研究中,揭示了變化的環境溫度對IC電磁功能安全造成威脅的現象和原因,為芯片全壽命周期電磁健壯性設計提供了重要的參考．復雜IC存在多種類型的引腳和功能模塊,未來的工作將針對不同類型的引腳和功能模塊展開,進一步研究環境溫度與敏感度之間的內在聯系．

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Temperature effects on electromagnetic susceptibility of digital signal controller

ZHOU Changlin LIANG Zhenhe YU Daojie ZHAO Shouguo QIAN Zhisheng

(DepartmentofInformationSystemEngineering,PLAInformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Due to the electromagnetic compatibility problems of a typical digital signal controller (DSC), a method that analyzes the electromagnetic characteristics and temperature characteristics simultaneously is presented. The ambient temperature effect on electromagnetic susceptibility is studied. Based on the structure of behavior electromagnetic susceptibility model, the mechanism of electromagnetic interference is analyzed, and the influence which ambient temperature exerts on the mobility and threshold voltage of metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors in DSC is derived. Combining the method of direct power injection and temperature control, the varieties of characteristic parameters of each part in susceptibility model at different temperatures is measured and simulated, revealing the internal factors of the susceptibility changes. Then, the threshold of DSC electromagnetic susceptibility is measured. Results show that the mobility and threshold voltage of MOS transistors in DSC immunity behavior is changed with ambient temperatures, which leads to the drift of DSC electromagnetic susceptibility.

electromagnetic compatibility； electromagnetic susceptibility； direct power injection； ambient temperature； digital signal controller

10.13443/j.cjors.2016082401

2016-08-24

國家自然科學基金(No.61271104)

TN973

A

1005-0388(2016)06-1053-07

周長林 (1961-),男,河南人,解放軍信息工程大學副教授,主要從事電路與系統電磁兼容性和可靠性研究工作．

梁臻鶴 (1992-),男,陜西人,解放軍信息工程大學碩士研究生,主要研究方向為集成電路電磁兼容測試與抗擾度預測．

余道杰 (1978-),男,河南人,解放軍信息工程大學副教授,主要從事高功率微波和電磁場研究工作．

周長林, 梁臻鶴, 余道杰, 等. 數字信號控制器電磁敏感度的環境溫度影響研究[J]. 電波科學學報,2016,31(6):1053-1059.

ZHOU C L, LIANG Z H, YU D J, et al. Temperature effects on electromagnetic susceptibility of digital signal controller [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1053-1059.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016082401

聯系人： 周長林 E-mail: zhou637196@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016082401