MCU芯片的ESD、EMI/EMC设计和测试

2020-02-18 15:53:08浏览:240 来源:芯淘淘   
核心摘要:国产MCU的EMI/EMC测试

人人都有一项绝技——放电,以蜥蜴哥的颜值和才华,放电撩人势必被人嫌弃于千里之外,但蜥蜴哥岂能浪得虚名,放电的时候悄然无声,伤人于无形。特别是到了秋冬季节,还会对着陌生人放电,不是情场鬼见愁,而是自觉其美不知丑。这种放电电力之高,可以将人撂倒,但由于只在瞬间产生,才不至于伤及无辜,这就是静电。 

静电在生活中随处可见,但凡有摩擦、干燥的地方都有可能产生静电放电,即ESD(Electro-Static discharge)“静电释放”。ESD保护已经成为芯片设计中必不可少的环节。今天蜥蜴哥就带大家看看国产MCU芯片在防静电、防EMI/EMC上的功力。 

如果要实现产品稳定,就要求芯片或者电路能在嘈杂的电气环境中稳定工作,抵抗高压放电事件,以满足与ESD、EMI/EMC测试相关的国际电工委员会制定的标准IEC61000-4-2、IEC61000-4-4和IEC61000-4-5。 

良好的ESD、EMI/EMC设计可使得芯片具有高稳定性,相反,糟糕的设计可能导致芯片遭受毁灭性的危害,有些情况下可能不会瞬间导致芯片灾难性故障,但是会影响芯片的使用寿命。下面以华芯微特MCU芯片为例,说明芯片如何通过特殊设计,达到国际标准测试要求,有效抵抗ESD、EMI/EMC,实现低温度漂移特性。测试和验证表明,华芯微特芯片具有出色性能,可取代国际品牌芯片。

 

ESD测试标准

 

通常使用三种模型测试集成电路在制造环境中的ESD性能。人体模型(HBM,Human Body Model):模拟人体被充电,然后通过裸露的手指对被测目标进行放电。机器模型(MM,Machine Model):模拟带电的制造机器,并通过机器放电到地线。机器具有导电表面,因此产生的电流水平可能更高,时间更短。充电设备模型(CDM,Charged Device Model):模拟一个被充电的设备,然后放电到地线。 

模拟测试在制造环境中测试芯片时效果很好,但不适用于系统级应用。国际电工委员会IEC61000-4-2标准定义元器件应当能够承受的标准测试水平,典型静电放电曲线上升时间约为1ns,峰值电流约为30A,该曲线常见于元器件ESD测试。


IEC 61000-4-2 标准模拟 ESD 脉冲波形


ESD 灵敏度分级 - 人体模型


ESD 灵敏度分级 - 充电设备模型

 

实现ESD设计的保护措施和验证方法

 

产品和系统设计往往采取增加屏蔽、隔离、增大PCB接地面积等措施抵抗ESD。在芯片设计上,佛山华芯微特科技有限公司(简称华芯微特)采取的措施包括:强化ESD放电路径;增加ESD保护模块;设计可靠的ESD保护器件。对于芯片的ESD保护措施,要一套验证方法和装置,在这方面,华芯微特拥有专利技术验证芯片ESD设计,即在电路网络结果中包括多个经典保护验证子单元、多组电源端以及多组单元接地端。


华芯微特在芯片设计上采取的 ESD 保护措施

 

采取上述措施和验证技术,华芯微特产品在HBM模型ESD测试结果为8000V;CDM模型ESD测试结果3000V,两项测试均达到或者超过标准定义的最高级别,为产品或者系统的ESD设计提供充足保障。


华芯微特芯片的 ESD 测试结果

 

通过20项性能指标的综合比较,华芯微特90纳米芯片产品与国际品牌S对应产品比较:其产品整体性能全面达到国际品牌S产品性能;华芯微特芯片在最重要指标,例如可靠性、静态功耗和使用温度范围,已全面超过国际品牌S的产品水平,达到军工级水准。


华芯微特与国际品牌 S 的对比结果

 

MCU芯片的低漂移特性

 

温度传感器是常用的元器件,在众多电子产品中都使用到,其温度稳定性又称为温度漂移,它是指传感器在外界温度变化情况下,输出发生的变化。 

在家用电器中,MCU芯片的稳定性设计要考虑温度漂移特性。在空调应用中,空调面板所连接的温度传感器采集效果直接决定了空调温度控制精度,面板主控芯片ADC能力直接决定了温度传感器采集效果。在空调最常用的零下10度到40度的环境温度下,随机对样机进行抽样对比,SWM220芯片采集结果明显优于国际品牌R芯片采集结果,跳动点少2倍以上,能够更精准的进行温度采集及温度控制。凭借着低温度漂移特性,华芯微特的产品成功取代国际品牌芯片制造商,打入海信和美的空调的供应链。


WM220 与国际品牌 R 相比,具有较佳的温度控制精度

 

MCU芯片在热水器应用中的EMI/EMC测试

 

MCU芯片设计还要考虑EMI/EMC,即承受外部电磁干扰,同时降低对其他电路的电磁干扰。电磁干扰(EMI)是由内部或外部源产生的干扰,通过电磁感应、静电耦合或传导影响电路。电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,并不对其环境中的任何设备产生电磁干扰的能力。

 

华芯微特MCU产品具有较好的EMI/EMC特性。在对热水器应用中,对华芯微特MCU进行测试,按电源的共地情况和空间距离情况这两个维度,每个测试连续1小时计算次数,每10秒1个周期,每个周期3次点火,7秒间歇,实际测试超过1小时的,按1小时计算。

 

从测试结果可以看出,在不同模式和距离场景中总共12960次打火,没有出现1次MCU复位情况,华芯微特MCU在燃气热水器当中使用,是能承受其脉冲打火器打火时所产生的高压脉冲干扰的。


华芯微特 MCU 的 EMI/EMC 测试结果


(责任编辑:小编)
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