单片机的电磁抗扰度仿真与实验研究*

孙朕,郝长峰

(河南省高远公路养护技术有限公司，新乡 453003)



单片机的电磁抗扰度仿真与实验研究*

孙朕,郝长峰

(河南省高远公路养护技术有限公司，新乡 453003)

针对单片机的电磁兼容问题，采用了实验和仿真相结合的方式，研究了单片机的电磁抗扰度。首先利用DPI法测试单片机的电磁抗扰度，其次提出了一种基于DPI的单片机电磁抗扰度ICEM模型，利用IC-EMC仿真软件在不同的频率下对单片机的内核电压进行仿真，结果表明在低频段仿真结果和实验测试结果一致性较好，使用该模型可以对单片机的电磁抗扰度进行预测。

电磁兼容；DPI；电磁抗扰度

引 言

微控制器(单片机)是道路无损检测系统中的重要组成部分，确保了道路无损检测控制系统的实时性和精确性，其可靠性对于检测系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。随着电磁环境日益恶劣，作为自动控制的核心部件，单片机的电磁兼容性逐渐成为芯片性能的重要指标。

电磁兼容是指设备或系统在电磁环境中不受干扰能正常工作并不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。国外一些研究机构在集成电路(Integrated Circuit，IC)电磁发射方面进行了研究并获得了阶段性成果，但是关于电磁抗扰度的研究却进展缓慢，迄今为止还没有标准的仿真方法和模型，其研究难点在于如何建立精确的模型结构和模拟各种复杂的内部噪声和外部噪声对IC抗扰度的影响。因此，提出高效的抗扰度建模解决方案和实现抗扰度模型应用，一直都是IC电磁干扰特性的研究热点。

STM32系列单片机是意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的单片机，主要应用于电气控制、工业现场等有电磁干扰的地方。使用直接功率注入法(Direct Power Injecting，DPI)测试STM32系列单片机的传导电磁抗扰度，建立ICEM模型,通过IC-EMC仿真软件在不同频率下进行仿真，仿真结果表明,在频率200 MHz以下该模型和实验结果一致。

1 单片机的电磁抗扰度实验

在采用DPI法(IEC62132-4)测试IC电磁抗扰度过程中，通过一个去耦模块注入到单片机的引脚上来实现RF(Radio Frequency)干扰，去耦模块通常是一个串联电阻的电容。典型的DPI法测试实验设备如图1所示。

图1 DPI法测试电磁抗扰度

通过对定向耦合器的前向功率和反射功率进行测量,可以观察RF干扰源的信号。测试中采用50 Ω的同轴电缆和与50 Ω匹配的PCB板走线，可以减少反射的影响，确保从RF到DUT(Deceive Under Test)之间的功率注入阻抗都是50 Ω。整个功率注入系统相当于一个50 Ω的匹配电阻，包括RF干扰源、RF放大器、定向耦合器和用来测试实验的PCB板。

实验中测试的单片机是144引脚LQFP封装的STM32F103ZET6，单片机固定在PCB中间，其中RF干扰源采用了信号发生器(安捷伦HP8648C合成信号发生器，输出频率范围为100 kHz～3.2 GHz)产生的正弦信号连续波，使用SMA(Subminiature A)连接器将单片机的引脚和RF信号主入口相连接，功率放大器选用SMA高频功率放大器(ZHLMini-circuits，输出功率28 dBm)，测试过程中将RF信号注入到单片机的VDD端，由于是在高注入功率条件下多次实验，因此需要采用大功率电容作为去耦电容(图1中DC Block),去耦网络由4.7 μH电感串联电阻构成，+5 V直流电源通过去耦网络和单片机VDD端相连。

STM32F1032ET6单片机的工作主频是16 MHz，通过编程实现以下功能：P1.0引脚输出占空比为50%的PWM方波信号，观察示波器(泰克TDS3054C)在单片机VDD端加入干扰信号后的PWM方波是否失真。如果波形失真，则判断所测试的单片机失效。RF干扰信号的频率设置从1 MHz开始，接着逐步提高RF干扰信号的频率值，直至输出的PWM方波信号失真。将目标功率设置成5 W(36 dBm),记录DUT出现故障时的上一次的频率和RF干扰信号的功率，接着逐步提高频率进行下一次实验。当频率较高时，增加频率的步长可以大一些；当频率较低时，增加的频率步长小一些。测试实验直到频率增加到1000 MHz时结束，整个测试流程如图2所示。

图2 测试流程图

2 抗扰度模型建立

针对直接功率注入DPI标准测试方法，单片机的传导抗扰度模型主要由3 个模块组成，即DPI注入路径模块、I/O 端口模块和PDN模块。

2.1 DPI注入路径模块

根据实际的DPI干扰注入路径，该模块由 RF干扰源、耦合器、SMA连接器、耦合电容、PCB走线和封装模型组成,如图3所示。

图3 DPI注入路径模块

图中：由 Rsma、Lsma、Csma、Rsma组成SMA连接器模型；由Rdpi、Cdpi组成DPI电容模型；由Rpcb、Lpcb、Cpcb组成PCB走线模型，被测引脚PT3的封装模型由Rpt3、Lpt3、Cpt3组成。

2.2 I/O端口模块

I/O端口模块(见图 4)由输入电容、ESD保护二极管和施密特触发器模型组成，其功能是将输入电压转换为逻辑信号输出。其中施密特触发器模型的滞回特性用 1个反馈回路进行模拟，ESD保护二极管模型由微控制器IBIS数据表提取。

图4 I/O端口模块

实验表明，单片机I/O端口的输入阻抗随着外部RF干扰频率的升高呈现动态、非线性的变化规律，该模块在电源和地之间增加了动态、非线性因素(Rvar1、Rvar2、Cadj组成的电路子结构)。其中2个对称的可变电阻Rvar1、Rvar2反映了I/O端口输入电阻随外部干扰的变化，其值与RF 干扰频率有关，Cadj为调节电容，用于模拟I/O端口与基底之间的容性耦合效应。

2.3 PDN模块

PDN模块如图5所示，直流电源的去耦网络由电阻Rchoke和电感Lchoke组成，电容CVddVss1是电源的滤波电容，单片机内部的PDN网络和电源引脚的封装模型由RVddR、LVddR、RVssR、LVssR和CVddVss2组成，单片机的内部核心网络由Rdie1、Cdie、Rdie2、RVddVss组成。在内核网络上由电压探针检测电压的变化，STM32F103ZET6的内核工作电压是3.3 V，如果内核受到干扰会使电压偏离正常的工作电压，从而对单片机造成影响，进而无法实现正常的功能。例如PWM方波信号的失真，如果在干扰信号下内核正常工作电压失效，则判定单片机失效。

图5 PDN模块

3 抗扰度仿真流程及结果

3.1 DPI测量电磁抗扰度仿真流程

IC-EMC2.5和WinSPICE1.03模拟仿真器配合使用,可以对集成电路的电磁发射、电磁辐射和电磁抗扰度等性能进行仿真，还可以将实验测量数据进行比对。电磁抗扰度仿真流程如图6所示，首先在IC-EMC2.5中建立DPI注入路径模块、I/O 端口模块和PDN模块的结构和参数，RF干扰源为正弦波，在每个仿真的频率点线性增加幅值。其次对抗扰阈值和干扰源频率步长等参数进行设定，运行WinSPICE进行仿真，即可得出各个频率点被测I/O 端口的输出电压。仿真结束后，通过IC-EMC2.5的处理工具可根据抗扰阈值自动提取出仿真频率上的前向功率和反射功率值。最后通过在不同频率上循环执行上述提取程序，便可以获得全频带抗扰度曲线。

图6 DPI测量电磁抗扰度仿真流程

3.2 仿真结果分析

设置RF源的仿真频率范围为1 MHz到1 GHz，仿真点为40个，设置失效阈值上限为+5.5 V，下限为+3.5 V，扫描信号幅值范围10～50 dBm，幅值为线性增加，频率步长为100 kHz。运行IC-EMC2.5和WinSPICE1.03，仿真结果如图7所示。

图7 电磁抗扰度仿真结果和实验结果

从图7中可以看出在低频范围内，实验测试曲线和仿真曲线拟合度良好；在高频范围内，则误差较大。一方面仿真使用的分立元件不可能完全代表单片机的实际物理构造，另一方面电磁抗扰度测量实验本身也存在很多不确定的因素。

电磁抗扰度模型仿真曲线提供了抗扰度预测的信息，同时也提供了单片机失效的噪声输入功率值。在低频范围内，输入缓冲器处在高阻状态，内核电压的抗扰度较低，随着频率的提高，PDN网络和内核网络的输入阻抗不是简单的容性，输入缓冲器脱离高阻态，抗扰度阈值提高。在高频范围内与实验测试结果有较大偏差，下一步将对PDN网络建模结构进一步优化，通过增加去耦电容等保证电源网络的低阻抗，优化片内和片外设计。

结 语

[1] IEC 62014-3-2002.Integrated circuit electromagnetic model[S].

[2] IEC 62132-4-2006.Integrated circuits:measurement of electromagnetic immunity 150 kHz to 1 GHz,part 4 direct RF power injection method[S].

[3] 孙哲,张斌.电磁兼容抗扰度试验的探讨[J].电网技术,2007,31(S1):237-238.

[4] Carleton R.An overview of standards in electromagnetic compatibility for integrated circuits[J].Microelectron Journal,2004,35(6):487-496.

[5] Ross B.IBIS and ICEM interaction[J].Microelectron Journal,2004,35(6):497-500.

[6] 田聪颖.微控制器电磁抗扰度特性的建模研究[D].北京:华北电力大学,2011.

孙朕(硕士)，主要从事电气检测自动控制工作。

Microcontroller Electromagnetic Immunity Simulation and Experimental Study

Sun Zhen,Hao Changfeng

(Henan Gaoyuan Maintenance Technology of Highway Co.,Ltd.,Xinxiang 453003,China)

In order to solve the problem of the microcontroller electromagnetic compatibility,the paper researches the electromagnetic immunity using a combination of experimental and simulation methods.Firstly,the microprocessor electromagnetic immunity is tested with DPI.Secondly,an electromagnetic immunity ICEM model is proposed based DPI.IC-EMC simulation software is used to simulate a microprocessor core voltage at different frequencies.The results show that the simulation data agrees with the experimental data in low-band,so using the model can predict the electromagnetic immunity.

electromagnetic compatibility;DPI;electromagnetic immunity

国家国际科技合作专项项目(2012DFR80740);交通运输部西部交通建设科技项目(2011 318 221 360)。

TP2115

A

士然

2014-12-25)