基于分段线性模型针对TLP瞬态干扰信号的芯片协同防护设计方法研究.pdf

2024 年第 2 期99中国高新科技ELECTRONIC INFORMATION|电子信息基于分段线性模型针对TLP瞬态干扰信号的 芯片协同防护设计方法研究王大伟1孙全2刘建军1杜春瑶2易玲11.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；2.杭州万高科技股份有限公司，浙江 杭州 310053摘要：集成电路芯片在高密度、小型化发展过程中产生了电磁兼容问题，为强化集成电路芯片对瞬态干扰信号的应对防护效果，可结合传输线脉冲（TLP）测试构建分段线性模型。文章首先对芯片应对瞬态干扰信号展开防护设计的现实需求进行分析，以CD4001BE 芯片为例提出芯片 TLP 测试分段线性建模方式，总结瞬态电压抑制 TVS 二极管建模方法，并进一步展开芯片分段线性模型协同防护设计分析，旨为借助分段线性模型的方式控制芯片防护的设计时间与成本。关键词：分段线性模型；传输线脉冲；瞬态干扰信号；芯片协同防护设计文献标识码：A中图分类号：TN40文章编号：2096-4137（2024）02-99-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.29Research on chip collaborative protection design method for TLP transient interference signals based on segmented linear modelWANG Dawei1,SUN Quan2,LIU Jianjun1,DU Chunyao2,YI Ling11.Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 102200,China;2.Vango Technologies Co.,Ltd.,Hangzhou 310053,ChinaAbstract:Integrated circuit chips have encountered electromagnetic compatibility issues in the process of high-density and miniaturization development.To enhance the protective effect of integrated circuit chips against transient interference signals,a segmented linear model can be constructed by combining transmission line pulse(TLP)testing.Based on this,this article first analyzes the practical needs of chip protection design for transient interference signals,taking the CD4001BE chip as an example,a segmented linear modeling method for chip TLP testing is proposed,and the modeling method for transient voltage suppression TVS diodes is summarized.Furthermore,the collaborative protection design analysis of chip segmented linear models is carried out to control chip protection according to design time and cost using the segmented linear model.Keywords:Segmented linear model;transmission line pulse;transient interference signal;chip collaborative protection design随着社会信息化、智慧化的发展，电子产品已成为日常工作生活中必不可少的设备设施，且为更加便捷地实现电子产品携带应用，不断趋向高密度、小型化发展，集成电路芯片作为电子产品的核心单元，其同样将高密度、小型化作为近阶段发展重点，但在此期间产生了较为严重的电磁兼容问题，静电放电对电子产品产生极大威胁，此时则需加强芯片的防护设计。1芯片应对瞬态干扰信号展开防护设计的现实需求带电体周边磁场若超出介质绝缘击穿场强则会引发静电放电现象，介质发生电离，带电体静电电荷全部或局部消失，而在静电放电期间则会有较大瞬时脉冲电流产生，该瞬时脉冲电流强度最高可达数百安培，能够对集成电路芯片造成极大干扰。静电放电是影响集成电路芯片运行效果的长久性问题，现已针对瞬态干扰制定了多种模型、测试标准，业界不断加强对芯片防护设计的重视。集成电路芯片在高密度、小型化发展过程中，其所处的电磁环境日渐复杂，在此环境下，集成电路芯片更易遭受静电放电瞬干扰，继而对集成电路芯片提出了更高要求。随着相关研究的不断深化，部分学者围绕 TLP 静电放电测试方式的相关仿真模型不断提出并优化，而分段式线性模型是其中一种。在集成电路芯片中，瞬态电压抑制 TVS 二极管属于最为常用的静电放电防护器件，当其以防护器件形式被应用到集成电路芯片中时，多以片外防护、片内防护两种形式被集成应用。其中，片外防护是将瞬态电压抑制 TVS 二极管设置于芯片回路远端，而片内防护则是指将瞬态电压抑制 TVS 二极管布置于芯片内部。在业界诸多研究人员的共同努力下，瞬态电压抑制 TVS 二极管性能得到一定提升，此时则可借助瞬态电压抑制 TVS 二极管强化集成电路芯片防护效果，例如采用构建模型的方式验证芯片防护器件对于瞬态干扰的应对效果，以仿真模型为依据展开芯片协同防护设计。2芯片 TLP 测试分段线性建模方式2.1芯片 TLP 传输线脉冲测试在构建仿真模型对芯片防护效果进行分析之前，需借助传输线脉冲 TLP 测试获得芯片 I-V 数据，依托于测试而完成近似线性分段后，则可构建分段线性模型，并基于 I-V 曲线数据分析线性程度，以此为依据选取近似线性线段。所选取的各个线段均需具有显著的近似线性特征，同时，若站在仿真成本角度展开分析，此时所选取的线性线段越多，则所产生的仿真成本越高，但选取较多线性片段有助于把控仿真精度。因此，集成电路芯片基于传输线脉冲 TLP 测试构建分段线性模型时，应从精度要求、成本条件两个角度对近似线性线段进行选择并仿真。2024 年第 2 期100中国高新科技电子信息|ELECTRONIC INFORMATION 对集成电路芯片进行传输线脉冲 TLP 测试时，可积极运用智慧化 TLP 自动测试系统开展工作。为提高本研究的针对性，选取 CD4001BE 型号集成电路芯片为实例展开研究，在传输线脉冲 TLP 测试期间，对 CD4001BE 型号集成电路芯片“输入到地”回路（即“B-Vss”回路）展开应力测试，经测试后获得该 CD4001BE 型号集成电路芯片的多项数据。在此次传输线脉冲 TLP 测试期间，自动测试系统所运用的脉宽、上升沿、下降沿分别为 50ns、1ns、1ns。电压幅值在传输线脉冲 TLP 测试过程中达到 0.5V 后，其于 0.5 445V 区间内呈逐渐增大态势，因此，为保障所获数据的精准点，各个传输线脉冲 TLP 电压幅值均需实施应力测试。经过测试后发现，当传输线脉冲 TLP 测试期间电压幅值提升至 445V 时，CD4001BE 型号集成电路芯片“输入到地”回路中的漏电流曲线会发生较大变化，而该变化可证明芯片处于 445V 电压幅值时已被损毁，同时传输线脉冲 TLP 测试自动停止，测试系统同步采集记录脉冲应力状态下的各类参数。2.2芯片分段式线性建模在本次集成电路芯片瞬态干扰信号防护设计方法研究过程中，借助分段线性模型展开传输线脉冲 TLP 测试仿真分析，对 50ns 脉宽条件下的 CD4001BE 型号集成电路芯片“输入到地”回路 I-V 曲线数据进行采集与统计，同时细致统计50ns 条件的 CD4001BE 型号集成电路芯片“输入到地”回路I-V 曲线的具体走势特征，以此为基础选取 7 条近似线性，将其记为 k1 k7，最终将其视为 I-V 曲线模型构建时的原始数据，本次所构建的 I-V 曲线模型如图 1 所示。图150ns条件的CD4001BE型号集成电路芯片“输入到地”回路I-V曲线模型结合图 1 可清晰发现，在该 I-V 曲线模型中共有 8 个拐点，分别被记为 P1 P8，正是在 8 个拐点作用下形成了 k1 k7共计 7 条近似线性线段，详细记录拐点处的瞬态电流、瞬态电压，按照 I-V 曲线模型线段斜率可计算得出 8 个拐点处的电阻值。完成瞬态电流、瞬态电压的统计计算后，进行构建与50ns条件的CD4001BE型号集成电路芯片“输入到地”回路 I-V 曲线模型相对应的分段线性仿真模型，在该仿真模型内，以瞬态电流值为直流电流源，由具备负阻或正阻二极管构建二端口网络，依据瞬态电流、瞬态电压计算得出电阻值，将其作为仿真曲线斜率。3瞬态电压抑制 TVS 二极管建模方式在本次瞬态电压抑制 TVS 二极管建模研究过程中，主要以图 2 所示等效电路为依据进行分析。在集成电路芯片内，为发挥瞬态电压抑制 TVS 二极管对瞬态干扰信号的防护效果，通常需采用并联方式将被保护器件与 TVS 二极管进行连接，当反向瞬态高能量对 TVS 二极管两端造成冲击时，则可在纳秒量级内反应，将 TVS 二极管两端电压限制在特定范围内，继而对集成电路芯片等精密器件进行保护，以免其受到瞬态干扰冲击而损毁。图2稳压二极管等效电路结构瞬态电压抑制 TVS 二极管建模的基础为伏安特性数据，为便于模型的构建，此次选取 SMDJ13A 二极管作为实例构建其仿真电路模型，并在此基础上获取 SMDJ13A 二极管仿真电路模型所对应的 I-V 曲线，将其与传输线脉冲TLP 测试数据结果进行对比，用于明确两者拟合程度，最终确定仿真拟合程度较高。为进一步检验该模型构建实效，完成 SMDJ13A 二极管仿真电路及 I-V 曲线的构建后，对SMDJ40A 二极管展开分析，同步构建其仿真电路模型，按照上述分析思路将传输线脉冲 TLP 测试数据结果与 SMDJ40A二极管等效线路 I-V 仿真曲线进行对比，同样发现两者具有较高拟合效果。在 I-V 曲线分析期间，击穿电压参数属于重要数据，对于 SMDJ13A、SMDJ40A 两种型号二极管击穿电压参数进行统计。SMDJ13A 二极管作为集成电路防护器件时，其击穿电压参数仿真值及实测值相近，且均超出了数据手册参数范围；而结合 SMDJ40A 二极管来看，其击穿电压参数的仿真值及实测值同样较为接近，且均处于数据手册参数范围内。经整体分析后可知，在此次基于等效电路所构建的瞬态电压2024 年第 2 期101中国高新科技ELECTRONIC INFORMATION|电子信息抑制 TVS 二极管模型中，数据手册参数范围、建模仿真结果、实测数据结果之间虽在击穿电压参数方面存在些许差异，但整体差异较小，仍可表述为基本吻合，可进一步结合分段式线性模型讨论集成电路瞬态干扰信号防护设计。设施安全测试范围最大电压值被称为最大钳位电压，而在芯片防护设计过程中，主要借助最大钳位电压用于判断 TVS 二极管的防护能力。为防止出现降级风险或器件损坏现象，在分析最大钳位电压参数时，应设置一定裕度，而对于本次所研究的 TVS二极管型号，其仿真电压值与实测电压值均低于最大钳位电压，故上述所提及的仿真电压值与实测电压值之间存在的偏差不会影响集成电路瞬态安全电压，按照上述思路展开防护设计、芯片选型不会造成瞬态干扰风险。4芯片分段线性模型协同防护设计方法在具体防护设计期间，应协同上述所提及的分段线性模型、等效电路 TVS 二极管模型，通过两种模型的协同应用而确保集成电路芯片可受到 TVS 二极管最大限度的保护，以此不仅降低静电放电瞬态干扰对集成电路芯片的负面影响，还可在一定程度上降低集成电路芯片防护设计成本，并提高设计效率。依托于协同防护模型进行迭代仿真分析，选取 13V最大钳位电压、SM-DJ13A 型号二极管作为集成电路芯片（CD4001BE 型号芯片）的防护器件，用于防护 CD4001BE型号集成电路芯片的“输入到地”回路。深入验证后发现，当瞬态电压达到 16.8V 时，集成电路芯片二极管会进入防护状态，对“输入到地”回路产生保护。当瞬态电流、瞬态电压分别达到 1.78A、16.8V 时，二极管则进入反向漏电区，而此时集成电路芯片在 TVS 二极管的保护下仍可正常运行，处于稳定状态。将瞬态电流、瞬态电压分别提升至 11A、17.1V时，二极管进入击穿后偏置区，在二极管防护下，集成电路芯片（CD4001BE 型号芯片）仍处于被保护状态，未受到瞬态干扰信号的影响。5结语综上所述，在本次芯片协同防护设计研究中，结合 I-V曲线数据搭建了分段式线性模型，用于仿真完成芯片传输线脉冲 TLP 测试，进一步衔接等效电路，搭建了 TVS 二极管模型，用于了解TVS二极管模型对集成电路芯片的防护效果，在此基础上将两个模型进行协同运用，最终高质量完成了芯片协同防护设计。作者简介：王大伟（1984-），男，山东临沂人，北京智芯微电子科技有限公司中级工程师，研究方向：安全用电及电力芯片应用。参考文献1 付路，阎照文，刘玉竹，等.芯片传导瞬态电磁干扰下的防护特性研究 J.安全与电磁兼容，2022（4）：38-42，66.2 冯希昆.面向 RS485 串行通信接口芯片的静电浪涌防护设计 D.无锡：江南大学，2022.3 向凡，杭丽，季睿，等.一种用于数模混合 DC/DC全芯片 ESD 防护技术 J.环境技术，2021（S1）：87-92.4 成周杰.双界面卡芯片静电放电防护设计研究 D.北京：中国科学院大学（中国科学院大学人工智能学院），2020.（责任编辑：周羿廷）3.4防冻和路面修复在寒冷气候条件下，道路常常面临冰雪和冻融循环的挑战。钢纤维混凝土技术的应用可改善路面的防冻性能和修复过程。钢纤维的添加减少了冻融过程中产生的裂缝和损害，从而降低了维修工作的频率和成本。当路面出现破损时，使用钢纤维混凝土可以迅速填补缺陷，缩短交通中断的时间，提高道路的可靠性。在防冻和路面修复方面，它为道路提供了更好的保护。这些优势使其成为现代道路建设和维护的重要选择，有助于确保道路的顺畅、可靠和安全。4结语本文深入探讨了钢纤维混凝土技术在道路桥梁施工中的多重应用。通过了解钢纤维混凝土的特点，以及其在不同工程环境中的要求和配比，为道路桥梁工程的建设提供了新的视角。结合其优越的性能和多功能性，钢纤维混凝土不仅提供了更持久更安全的道路桥梁结构，还有助于降低维护成本和减少对环境的不良影响。作者简介：李得杰（1999-），男，甘肃张掖人，广西桂商实业投资有限公司助理工程师，研究方向：公路工程。参考文献1 廖福君.市政道路桥梁设计中的安全性和耐久设计J.工程建设标准化，2015（3）：112.2 赵俊生.钢纤维混凝土材料在旧混凝土路面修补工程中的应用 J.科技风，2010（3）：158.3 赵敏.一种橡胶-钢纤维混凝土组合板及其制作方法J.橡胶工业，2020，67（7）：533.4 孟玉梅.公路桥梁施工中钢纤维混凝土技术的应用探究 J.黑龙江交通科技，2011，34（8）：154.5 刘振英，赵如愿，李双丞，等.道路桥梁施工中钢纤维混凝土技术应用研究 J.交通世界（上旬刊），2017（34）：128-129.（责任编辑：周羿廷）（上接第98页）