数字信号控制器电磁敏感度的环境温度影响研究

周长林 梁臻鹤 余道杰 钊守国 钱志升

(解放军信息工程大学信息系统工程学院,郑州 450001)

数字信号控制器电磁敏感度的环境温度影响研究

周长林 梁臻鹤 余道杰 钊守国 钱志升

(解放军信息工程大学信息系统工程学院,郑州 450001)

针对典型数字信号控制器(Digital Signal Controller,DSC)的电磁兼容问题,提出了电磁特性与温度特性相结合的分析方法,研究了环境温度对其传导电磁敏感度的影响. 结合电磁敏感度行为级模型结构,分析了电磁干扰的作用机制,导出了DSC中金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)器件阈值电压和迁移率随环境温度的变化关系； 利用直接功率注入与环境温度联合控制技术,从实验和仿真两个方面分析了模型各部分特征参数在不同温度下的变化,揭示了电磁敏感度在不同环境温度下变化的内在因素,并测试了不同温度下典型DSC的电磁敏感度阈值. 结果表明,DSC敏感度行为单元中MOS器件阈值电压和迁移率在不同温度下的变化,会造成其电磁敏感度随环境温度产生显著漂移.

电磁兼容性； 电磁敏感度； 直接功率注入； 环境温度； 数字信号控制器

引 言

电子设备在航空航天、汽车电子等领域应用广泛,恶劣的工作环境带来了多种物理场的协同作用,如温度场、电磁场等,这些因素都会使电子设备的电磁性能产生降级[1-2],甚至威胁整体系统的电磁安全和功能安全．集成电路(Integrated Circuit,IC)作为电子设备的基础部件,其电磁特性关乎着整体系统的电磁兼容性能．因此,在电子设备电磁兼容性的研究中,环境因素对IC电磁性能的影响不可忽略[3-4]．

IC电磁兼容研究已受到国内外学者的广泛关注[5-6],但相关的测试和建模标准中,针对环境因素对其电磁兼容性影响的考虑还不充分．文献[7]中提出了IC电磁健壮性的概念,将电磁兼容性研究和环境效应相结合,研究了IC全寿命周期的电磁功能安全．已有的电磁兼容环境效应研究主要针对高低温、过电压等条件下,加速老化效应使IC电磁发射和敏感性发生改变的现象,并提出了电磁兼容老化效应预测的一般方法[8-9]．随着IC的应用环境日趋复杂,其电磁敏感度(以下简称为敏感度)随环境温度变化产生漂移的现象,为系统功能带来的安全隐患逐渐凸显[10]．特别是数字信号控制器(Digital Signal Controller,DSC)等复杂的可编程IC,被视为精准测控系统的核心单元,其复杂环境下的敏感度将直接决定着系统的电磁功能安全[11-12]．但是,目前针对实时变化的环境温度对IC电磁兼容性的研究较少．

本文以DSC为例,研究复杂IC芯片传导敏感度的环境温度影响．针对典型32位DSC芯片,结合其敏感度模型结构分析了电磁干扰的作用机制,并研究了DSC内部金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)器件的温度特性,对其阈值电压和迁移率的温度影响规律进行了计算、分析．基于直接功率注入法设计了敏感度温度效应测试平台,通过测试和仿真总结了DSC无源分布网络和敏感度行为单元特征参数在不同环境温度下的变化规律．在不同温度下提取了DSC的敏感度阈值,最终揭示了不同工作环境温度下DSC敏感度的变化及原因．本文研究对提高芯片的抗电磁干扰性能和环境适应能力具有参考价值．

1 理论分析

1.1 敏感度特性

电磁敏感度是芯片和设备抗电磁干扰的能力,外界电磁骚扰信号通过耦合路径耦合到受体电路,导致电路发生故障或者功能出现错误,从而产生敏感度问题．研究芯片的敏感度,首先应当建立其敏感度模型．出于对知识产权的保护,芯片制造厂商不可能将芯片的内部结构告知用户．因此,敏感度模型需要建立在外部测试数据和已知原理结构的基础上[13]．

根据IEC62433-4建模标准,图1展示了DSC的传导敏感度行为级模型结构[14]．射频干扰信号通过无源分布网络耦合至敏感度行为单元,对敏感度行为单元的正常响应造成影响,根据其响应情况,结合失效判据准则即可对芯片的失效情况进行判别．无源分布网络和敏感度行为单元是DSC敏感度模型中的关键单元．无源分布网络由干扰注入路径和电源分布网络组成,是干扰信号的耦合通道； 敏感度行为单元由输入缓冲器等部分构成,是完成输入信号转换和识别的重要部分．模型中各单元特征参数的变化都可能使DSC的敏感性发生改变,分析敏感度的温度影响,就需要掌握模型各部分特征参数的温度影响规律．

图1 DSC传导敏感度行为级模型结构

1.2 MOS器件温度特性

DSC中含有大量的MOS器件,如图2所示其敏感度行为单元的等效模型,主要由MOS器件构成的施密特触发器和反相器组成．MOS器件是典型的温度敏感器件,不同的温度会造成阈值电压VT和迁移率μ产生漂移[15]．其阈值电压可表示为:

(1)

(2)

式中:VTN为N沟道MOS(N-channel MOS, NMOS)的阈值电压；VTP为P沟道MOS(P-channel MOS, PMOS)的阈值电压；ε0、εr为介电常数；q为电子电荷；N为掺杂浓度；Cox为氧化层电容；Qox为界面态与固定正电荷；φms为金属对硅的功函数；φf为半导体静电平衡势垒,是关于温度的函数,表达式为

(3)

式中:k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；ni为本征半导体浓度,表达式为

(4)

式中,Eg为禁带宽度,基本上与温度无关,可以作为一个常数．

MOS的迁移率为

(5)

式中,A为常数．将式(3)和式(4)代入到式(1)和式(2)中,并将式(1)、(2)、(5)对温度T求导可得:

(6)

(7)

(8)

式中,nio为式(4)的系数,其值为3.87×1016．

图2 敏感度行为单元等效模型

由式(6)、(7)和(8)可得,MOS器件的阈值电压和迁移率均是随温度变化的函数,并且,MOS器件阈值电压的绝对值会随着温度的升高逐渐减小,迁移率也会随着温度的升高逐渐降低．MOS器件的温度特性会使其漏极和源极之间的电压和电流发生变化,进而改变整体电路的输入输出转移关系．

2 敏感度温度效应测试平台

敏感度温度效应测试平台是利用直接功率注入[16]和环境温度联合控制技术,实现环境温度对敏感度阈值影响的测量．射频信号发生器产生的正弦干扰信号通过功率放大器进行放大,并经过定向耦合器注入测试电路板上待测器件(DevicesUnderTest,DUT)的某一通用输入输出引脚(GeneralPurposeInputOutput,GPIO)．射频干扰信号的带宽为10MHz～1GHz,最大注入功率为25dBm．DUT是TI生产的32位DSCTMS320F2812,兼具高速信号处理和复杂控制功能,广泛应用于精准测控系统等领域,运行温度范围为-40 ℃～85 ℃．专用测试电路板上包含一个DUT和干扰注入路径上的6.8nF耦合电容．DUT内部程序控制芯片连续读取输入引脚逻辑电平,并将读取到的逻辑电平复制到另一输出引脚上．原始输入信号被固定为低电平,当干扰信号耦合进入输入引脚并使DUT产生误判时,记录下干扰信号的前向功率和频率作为敏感度阈值．为保证DUT正常运行,需要构建一个最小系统来提供支持．1.8V和3.3V电源电压由一个电源板产生,作为时钟信号的30MHz方波信号由信号发生器产生．

为控制DUT的工作环境温度,仅将待测电路板置于一个误差小于±1 ℃的恒温箱内,电源板等辅助设备和测试设备置于恒温箱外,测试平台结构图如图3所示．测试选取的温度范围为-20 ℃～80 ℃,其中每10 ℃作为一个测试点,提取DUT的敏感度阈值．测试过程中,矢量网络分析仪被用来监测无源分布网络的阻抗参数,示波器被用来监测DSC的系统时钟频率和引脚失效情况．

图3 敏感度温度效应测试平台结构图

3 测量与仿真分析

3.1 无源分布网络温度影响

根据传导敏感度模型,DSC的无源分布网络可以等效成电阻、电容和电感构成的集总参数电路．本文在不同环境温度通过矢量网络分析仪监测这些部分阻抗参数的变化情况．

干扰注入路径主要由印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)路径、6.8nF耦合电容和芯片封装构成,他们的寄生效应决定了整体的阻抗特性．干扰注入路径上的6.8nF贴片电容直接暴露于变化的环境温度中,其阻抗受不同温度影响的现象应特别受到关注．通过对不同温度下该电容的阻抗参数进行测量,得到典型温度下测量结果,如图4所示,-20 ℃和80 ℃下的两条曲线展示了阻抗参数的最大漂移情况．在10MHz～2GHz频率范围内,该电容的阻抗参数保持了很好的温度一致性,但当频率超过2GHz时,不同温度会使其寄生效应发生明显变化．

图4 典型温度下6.8 nF耦合电容阻抗测试结果

与之相似,完整注入路径的阻抗参数在典型温度下的测试结果如图5所示,频率在10MHz～2GHz范围内,阻抗参数保持了良好的温度一致性．由于完整注入路径中多种寄生效应的共同作用,使得其第一谐振点出现的频率较耦合电容向右偏移,且当频率超过2GHz时,由于耦合电容的阻抗特性在这一频段内随温度的变化产生了漂移,因此导致完整注入路径上阻抗特性显著改变．本实验注入干扰信号的频率为10MHz～1GHz,在这一频段内,完整注入路径的阻抗特性在不同测试温度下均保持了较好的一致性,即可认为,在不同温度测试过程中干扰信号被无差别的耦合入DSC内部,而干扰注入

图5 典型温度下干扰注入路径阻抗测试结果

路径阻抗特性的温度效应不会造成DSC敏感度发生改变．

电源分布网络主要由电源引脚封装和电源层电路构成．干扰信号通过输入引脚进入DSC内部后,一部分噪声会通过电源分布网络耦合到敏感度行为单元,影响敏感度行为单元的正常响应．典型温度下电源分布网络阻抗特性的测试结果如图6所示,而全部测试结果曲线均在-20 ℃和80 ℃曲线的包络内,随温度升高依次排列．在10MHz～3GHz范围内,电源分布网络阻抗参数会随温度的变化产生微弱的漂移,而前期对该DSC室温下敏感度的研究表明,电源分布网络对其敏感度阈值的影响有限,其阻抗参数微弱的漂移不会对敏感度的趋势造成明显改变[17]．因此,温度对电源分布网络阻抗参数的影响在敏感度的测试中可以忽略．

图6 典型温度下电源分布网络阻抗测试结果

3.2 敏感度行为单元温度影响

DSC的敏感度行为单元主要实现了输入模拟信号转换为可识别数字逻辑电平的功能,其等效模型如图2所示．实验中原始低电平输入信号与干扰信号相混合送至输入端口,在敏感度行为单元中完成电平转换,并在系统时钟的控制下进行高低电平识别．当输出端口的信号幅度超过2V电平判决门限时,就被判为高电平,即DSC发生误识别,从而导致逻辑错误的发生．在逻辑电平判别的过程中,系统时钟频率和信号转换电路的输入输出特性均会对识别过程产生影响．

文献[18]表明,不同的系统时钟频率会使DSC的敏感度阈值产生明显的漂移．为验证变化的温度是否通过影响锁相环电路,造成系统时钟频率改变,利用示波器通过时钟输出引脚监测不同温度下的系统时钟,其频率测试结果如表1所示．该DSC的锁相环电路具有良好的温度稳定性,虽然时钟信号的峰值随温度的变化有微弱漂移,但其值始终能满足要求,且系统时钟的时序关系在不同温度下未发生变化．输入缓冲器对输入信号的采样周期和间隔不存在差别,因此本实验中忽略系统时钟随温度变化对敏感度阈值的影响．

表1 不同温度下系统时钟频率

输入缓冲器作为输入信号识别和转换的关键部分,主要由MOS器件构成的电路组成．由于DSC中MOS器件的具体型号及制造工艺属于芯片生产厂商的保密范畴,我们无法计算其内部参数与温度之间的精确关系．参考一般常用MOS器件的特性,在测试温度范围内(-20 ℃～80 ℃),阈值电压会产生大约10%的漂移,迁移率则会产生大约50%的漂移．对图2所示模型,在输入端注入功率为8dBm、频率为500MHz的正弦干扰信号,分别仿真阈值电压和迁移率变化前后的输出结果,如图7所示．20 ℃下MOS器件特性未发生改变时,输出信号幅度均小于电平判别门限,依然被判别为低电平,与没有干扰信号时的判别结果保持一致； 而随着温度的降低,假设某一温度使MOS器件的迁移率升高20%、阈值电压升高5%,这就使得输出响应中出现了幅度高于判别门限的部分,并最终导致逻辑电平判别时出现高电平信号,造成对输入信号的误识别,从而导致逻辑错误的发生．

图7 MOS参数变化对敏感度行为单元输出响应的影响

从500MHz干扰信号的仿真结果可以看出,降低的温度通过影响MOS器件的阈值电压和迁移率,直接影响了DSC对输入信号的识别,导致该频点处的敏感度阈值下降．对于相同的干扰信号,不同的环境温度会产生不同的响应结果,并最终造成敏感度阈值的漂移．

4 敏感度温度效应测试结果

对于同一个引脚,其敏感度在不同环境温度下的测试结果如图8所示．当干扰信号的频率升高到某一频点处时,DSC的敏感度会显著降低,超过最大注入功率．当干扰信号的频率大于700MHz时,敏感度阈值均超过25dBm,图中不作展示．由图8(a)所示典型温度下敏感度阈值可得,变化的环境温度使DSC的敏感度产生了明显的漂移,尤其当干扰信号的频率较高时,温度对敏感度阈值的影响逐渐增大,最大处漂移甚至超过了±10dB．

(a) 典型温度下的敏感度阈值

(b) 不同干扰频段内平均敏感度阈值图8 不同温度下敏感度测试结果

为了进一步分析温度、干扰信号频率与敏感度阈值之间的关系,对每100MHz频段内DSC的敏感度等级进行平均,结果如图8(b)所示．干扰信号频率在200MHz以下的两条平均敏感度曲线几乎重合,且当干扰信号频率在10～300MHz时,温度对DSC平均敏感度的影响较小,产生的漂移不超过0.5dB,温度与平均敏感度之间没有严格的相关关系．而当干扰信号的频率超过300MHz时,温度的影响开始逐渐变大,随着温度的升高,每100MHz频段内的平均敏感度逐渐降低,尤其是在高频部分,这种漂移愈加严重．

由于环境温度的不同,DSC的敏感度发生了显著的变化,这种现象在工程应用中可能引发严重的电磁兼容问题,甚至导致事故发生．

5 结论与展望

本文针对变化的环境温度对敏感度造成威胁的现象,研究了DSC传导敏感度的温度效应及其内在原因．结合敏感度模型结构分析了电磁干扰的作用机制,并推导了DSC内部大量存在的MOS器件的温度特性．对模型各部分特征参数进行了测量和仿真分析，得到温度对无源分布网络阻抗特性的影响可以忽略,干扰信号在耦合进入敏感度行为单元之前不会产生改变,对于敏感度行为单元,温度不会影响系统时钟频率,但会通过改变MOS器件的阈值电压和迁移率,使相同干扰信号下的电压转换结果发生变化,造成信号判别发生错误,进而使敏感度阈值随温度变化发生漂移．最后,通过实验验证了不同温度下DSC的敏感度阈值随温度发生漂移的现象．温度每改变10 ℃,漂移甚至超过10dB．

针对目前电磁兼容性研究中对环境温度因素考虑不足的问题,本文以DSC为例,将环境温度因素考虑到IC传导敏感度研究中,揭示了变化的环境温度对IC电磁功能安全造成威胁的现象和原因,为芯片全寿命周期电磁健壮性设计提供了重要的参考．复杂IC存在多种类型的引脚和功能模块,未来的工作将针对不同类型的引脚和功能模块展开,进一步研究环境温度与敏感度之间的内在联系．

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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

国家自然科学基金(No.61271104)

TN973

A

1005-0388(2016)06-1053-07

周长林 (1961-),男,河南人,解放军信息工程大学副教授,主要从事电路与系统电磁兼容性和可靠性研究工作．

梁臻鹤 (1992-),男,陕西人,解放军信息工程大学硕士研究生,主要研究方向为集成电路电磁兼容测试与抗扰度预测．

余道杰 (1978-),男,河南人,解放军信息工程大学副教授,主要从事高功率微波和电磁场研究工作．

周长林, 梁臻鹤, 余道杰, 等. 数字信号控制器电磁敏感度的环境温度影响研究[J]. 电波科学学报,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

联系人： 周长林 E-mail: zhou637196@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016082401