2023汽车半导体生态峰会 || TÜV 莱茵周亮：汽车电子部件车规级芯片电磁兼容评估方法
以“链启芯程·智造未来”为主题的“2023汽车半导体生态峰会暨全球汽车电子博览会”，由广东省工业和信息化厅、深圳市工业和信息化局、中国能源汽车传播集团指导，《中国汽车报》社主办，爱集微承办，于2023年9月26日至27日在深圳福田会议中心隆重召开。
本届峰会坚持行业领袖峰会的高端定位，全面助力产业间深度融合与创新，推动上下游产业链伙伴携手合作，共同构建具有全球竞争力的汽车科技创新新生态。
峰会现场，多领域、多视角开展的20场特色活动，囊括主峰会、技术研讨、项目路演、专业展览、交流盛宴等，汇聚政、产、学、研、用、投等多个产业圈层，围绕全球及中国汽车半导体产业热点展开交流，峰会重点聚焦新技术、新趋势，深入剖析汽车半导体各细分领域的发展机遇和挑战，近百个精彩纷呈的演讲，共同呈现出一幅专业而全面的思维图景。
其中，在9月26日举办的“汽车电子部件及车规级芯片专场”，TÜV莱茵大中华区交通服务项目经理周亮，做了题为《汽车电子部件车规级芯片电磁兼容评估方法》的精彩演讲。以下内容为现场演讲实录：
我是广州莱茵的周亮，在广州莱茵工作11年，从事电磁兼容检测。
TÜV莱茵大中华区交通服务项目经理 周亮
今天我会从三个方面来给大家介绍，第一个是汽车电子部件芯片测试的现状；第二部分是汽车电子部件芯片的电磁兼容测试方法，这部分主要是聚焦在技术上面，第三部分讲讲TÜV莱茵在电磁兼容检测方面的能力，我们能做哪些东西。
先说一下行业的状况。目前，对车规级芯片的评估借鉴了零部件的评估方法，主要是从5个领域来评估，分别是电磁兼容、功能安全、信息安全、环境可靠性和测试评价。我今天要讲的就是从电磁兼容评估芯片。汽车的芯片总共可以大概分10类，根据汽车芯片的功能，我们可以分为控制芯片、计算芯片、传感芯片、通信芯片、存储芯片、安全芯片、功率芯片、驱动芯片、电源管理芯片和其他芯片。这么多芯片并不是说所有的芯片都能做电磁兼容的测试，目前我们接触到的主要是通信类的芯片做电磁兼容的咨询比较多。
我们国家目前还没有专门针对芯片的电磁兼容的法规，目前借鉴的是国际的标准，IEC国际电工委员会的标准。国内的测试资源现在也不太多，有部分的实验室具备了一些检测的能力，这个检测的经验老实说还不太丰富，莱茵公司是其中一家能做芯片电磁兼容检测的公司。
第二部分是芯片的电磁兼容测试方法的介绍。要评估的芯片电磁兼容，要做哪些测试？随着集成电路的发展，速度是越来越快了，目前已经上到了G赫兹，这也是结合到现在的一些应用场景，功能越来越强大了，速度越来越快。随之带来的电磁兼容的问题也越来越恶劣，产品集成化越来越高，给电磁兼容工程师整改的空间不多了。现在产品很成熟，我们面对的问题又更严峻，那怎么办？从常规的手段解决不了的时候，我们再往上层去寻求解决方案，那就是说，在芯片级别的时候就要考虑电磁兼容的问题。
电磁兼容这个问题其实从源头处理的话，它越容易，成本越低，厂家、零部件供应商对高性能的芯片的要求越来越高了。如果一个硬件工程师选择了一个合适的芯片，对通过电磁兼容测试是事半功倍的。目前，部分国内外的芯片厂家已经开始自主做电磁兼容的检测了，部分已经在出厂的报告上提供EMI的报告、EMS的报告，芯片级的电磁兼容是一个新的领域。IEC其实在1990年就已经开始在研究这个标准了。目前主要有四大方面，第一是EMI测试标准，参考的是IEC的61967系列的标准；第二大类是EMS的测试标准，参考的是IEC62132一系列的标准，有-1、-2、-3，一直到-8；第三类是脉冲类的测试标准，参考是IEC62215；第四是ESD测试标准，参考ISO10605。接下来我就这四个部分给大家讲解一下我们的测试是怎么做的，怎么评估我们的芯片电磁兼容的问题。
射频类发射的测试，就是EMI测试，这个测试方法参考了IEC61967-4直接耦合法，右边是一个测试的框图，在下面的部分就是test letwork，是一个测试的电路，我们把芯片装在电路上进行测试，里面有一个端口，EM123是被测的端口。根据不同的标准，对不同的芯片的引脚不一样，我们针对每个引脚测试MI测试。这一点非常重要，因为在我们零部件级别，主机厂对发射是比较关注的，为什么？因为车上有很多无线通讯的设备，如果产品干扰了这些无线通信产品的正常工作的话，对用户的体验是非常差的，比如我要听广播的时候，收音机有滋滋声，或者我打电话的时候，信号不好，这些都有可能是电磁兼容的问题，可能是车上的其他零部件产生的电磁发射造成了同频干扰，导致我想使用这个功能用不了，所以这个是主机厂很关注的，倒逼我们的零部件供应商解决这个问题。零部件供应商解决不了，就只能再寻求上游，芯片，现在越来越多的零部件供应商会要求芯片厂家到现场来支持，过主机厂的电磁兼容的问题。
芯片级的测试，测试频段从0.15M到1千M，这个片断老实说不高，为什么？因为这个标准1990年就开发出来了，现在2023年了，技术已经发生了翻天覆地的变化，车上的电磁辐射测试频段已经上到6G了，所以这里面是有一些gap。根据芯片的使用场景，会分成不同的工况来评估它的EMI的情况，有正常工作，还有它在休眠时的EMI情况。这是我们实际的测试布置图，这个布置图还蛮简单的，下面黑色的部分就是我们的测试芯片，这有一个射频线，接到我们的频谱仪上，根据标准制订的测量带宽，测量时间，射频线接到不同的耦合端口进行测量。评估它的频谱是否能满足标准要求的限制，标准会制订一系列的限制，法规制订的限制，这个限制是不允许超过的，如果超过的话，证明是有对外辐射导致其他样品失效的风险，所以我们在评估这个问题的时候，一定在限制以下，它的发射量越小越好。
根据我们的测试经验，我们做过一款lin芯片，lin是高低变化的波形，并且还是快速变化的，对于快速变化的波形其实是骚扰原来的，变化得越快越容易发射出来。在整车上在这个频段，主机厂对骚扰是有要求的，不能太高，那怎么办？如果等到到了零部件级别去考虑的话，可能那时候节点又比较近了，大家的压力会非常大，我们当时发现这个问题之后，这家芯片厂家在芯片级的时候就进行整改，把LIN通信的上升时间和下线时间，在不影响正常通信的时候，稍微降一点，让这个发声量降下来，满足法规的要求。
第二类，射频抗扰类的测试，这个测试是参考IEC62132-4直接注入法，右边的测试框图是我们的框图，也是针对不同的PIN计较进行干扰，这个和上面的测试不一样的是，发射的测试是指芯片在工作的时候，对外发射电磁波，这个电磁波发射得越小越好。同时，在工作的时候，因为车上的环境是非常恶劣的，什么样的信号都有，外面的信号也会有干扰。我接收到这个干扰的时候，还能不能正常工作？如果外面有干扰，对我有影响，我罢工了，那在整车上是非常危险的，这个就是评估，实验室会模拟实际的干扰，主动注入干扰到我的芯片上面，看看芯片还能不能正常工作，测试频段依然到一个G而已，测试的等级最大功率在目前看来不算高，当然对芯片而言是够的，为什么？因为这是对芯片测试的，当芯片装到零部件上面的时候，它是有一系列的保护措施的，有很多级的滤波电路，甚至会加了屏蔽罩，这样能过滤很多的干扰。驻留时间，注入两秒、一秒还是10秒？标准要求是1秒，这个对应到我的零部件级别的测试，注入的时间是2秒，芯片级比零部件小一点，要求松一些，注入的时间是1秒。
调制的方式是两种，CW，CW是连续波，第二种调制方式是AM，就是调幅广播调制方式，如果出现了异常现象，注入这个干扰，注入34DBM，需要找阈值，需要找到在这个干扰从36DBM慢慢降，降到它刚好出现问题，我再降一点，它又不出现问题的时候，这个功率值就叫阈值，这个阈值需要提供给厂家，甚至是主机厂来评估风险。同样的，根据芯片的使用场景，也是要做多种模式，要评估这个芯片在不同的功耗下电磁兼容的问题。这是我们的布置图，最前面的示波器抓的一系列的波形，后面这个电脑可以看到它的通讯是不是正常的，从两个方面来评估。
第三大类，脉冲注入测试，参考IEC66215-3异步注入法，同样也是对两个PIN脚都要注入不同的脉冲，我们注入哪些脉冲呢？这个脉冲和零部件级别的脉冲是吻合的，分别是脉冲1、2A、3A和3B，这些脉冲都是高频的脉冲，它的变化时间是微秒甚至达到纳秒级的，也就是说，在实测上，用电设备在整车的电网上是有非常多的，这些用电设备在起停的瞬间会产生一些损失的脉冲，这些损失的脉冲有的变化非常快，频率高，频率高容易发射，就可以通过空间耦合的方式来干扰芯片，电路很厚集的，因为如果通过线的话，可能有一些滤波电路已经把这些干扰滤掉了，但是我通过空间耦合的方式，通过电波是没办法滤掉的，测试等级我们评估了，看到这个芯片的测试等级和零部件的测试等级是一致的，它是class4，也是最高的测试等级。测试时间每个脉冲注入的时间是一分钟，这一分钟的时间老实说还不算长，零部件的这种级别的测试时间有的要达到一个小时，时间越久越容易出问题。根据不同的工况我们要评估两种模式，波谱模式和sleep模式，这是我们实际的布置图，最左边是脉冲发射器，右边黑色的是被测的芯片，直接注入到不同的端口上面。
再说最后一类，静电。静电是在电磁兼容里面与我们接触的是最近的一个测试项目，特别是在冬天的时候一定很有感触，我们脱衣服霹雳啪啦或者我们坐车的时候开门都会啪的一声，手会有点痛。芯片产品也是同样的，只要人碰到上面，人是会带电的，那这个产品就会承受静电的危害。根据这个标准，10605里面，产品要施加静电，施加什么样的强度呢？是1千V还是慢慢对着端口进行施加放电？最高的等级是25KV，如果中间芯片很不幸打坏了，就不用再往上增加了，我们计入此时的值，这个叫做芯片能承受的最高的静电放电等级。放电模块330欧，15爱T，这个放电模块是模拟人体的放电参数，芯片从生产、包装、运输、装配整个流程，只要有人涉及到的地方，都有可能承受到静电，所以这个静电就是要模拟各种情况。不同的场景下，我们的人体所储存的电量是不一样的。
还有一种情况是，当芯片装在车上的时候，对这种通讯类的芯片，比如CAN、LIN往往是诊断口，用户在升级的时候很有可能手碰到这个端口的，这个情况，端口是导体，手碰到端口，顺着导体直接打到了芯片上。目前，零部件的放电等级对于PIN脚会松一些，最高目前是做到8KV即可，所以我们的测试找到这个芯片能承受的最高的静电放电的等级即可，终端目的就是主机厂，主机厂会根据这个等级来评估，来看是否接受，每一个私家的等级，我们的放电次数也是要有定义的，因为静电是有累计效应的，不是一枪就有问题的，一枪可能没有问题，打3枪、5枪、10枪，打越多可能越有问题，我们不需要评估很多次，打100次很好，但是会质量过剩，根据这个标准只用打3次就ok了。我们考虑芯片不通电的情况下进行测试，把芯片放到一个测试的板子上进行放电，中间的板子就是芯片，焊在这个板子上，会引出不同的pin脚。最右边这个是静电枪，对不同的pin脚进行放电，我们要打3枪，每一枪打完之后会有残余的电荷存在放电的端口上，所以我们需要左边这个黑色的刷子叫静电刷，把残余的电荷释放掉再打下一枪，这个评估才是客观的，否则会有残余的电量在里面，本来我已经打了3KV，有残余的电量在上面，可能实际已经是6KV了。
这是芯片级的几个测试，这四大类测试我们再总结一下，EMI、EMS、脉冲、静电，这四大类测试对应到零部件级别，基本上是能涵盖，的但评估的方法相比的零部件会少很多，所以芯片即使过了，并不代表装载零部件上这个芯片不会有影响，因为它还有其他的评估方法在芯片是没有做测试的。
接下来说说我们TÜV莱茵电磁兼容的能力。目前，我们电磁兼容实验室的服务范围有零部件的测试，包含芯片级的测试、产品级别的测试，还有EMC整改、测试计划的编写，现在的电磁兼容检测在国内是越来越成熟了，主机厂对这方面的要求也越来越高。在测试开始前都需要制订完善的测试计划，根据测试计划执行测试，有一些供应商可能不清楚我该怎么做测试，我们实验室可以提供编写测试计划的服务。接下来的部分是电磁兼容检测人员的培训，我们在2010年开始做汽车零部件的电磁兼容检测，华南区是头一批开始进入这个领域的电磁兼容实验室，最开始大家是做民用的，慢慢转到汽车领域，还提供最新标准的解读。我们在这个领域有十几年，接触到了非常多的国际标准和主机厂标准，可以提供标准的解读。还可以提供实验室建立的咨询，以及我们最近正在推的TÜV mark或者China mamk的服务，莱茵会和客户一起针对产品制订一个标准，通过这个标准之后可以打莱茵的logo，有莱茵的品牌做背书，在上市的时候作为一个卖点。
我们的测试场地，目前电磁兼容这一块在大中华区有三个场地，分别是广州、上海、太仓，建立了电磁兼容检测实验室。我们的人员配置，在广州有20个测试工程师、7名项目工程师，项目工程师就是负责项目的，我是其中一个。上海有10位测试工程师，4位项目工程师。太仓是最新成立的，去年成立的，10个测试工程师，3个项目工程师。我们在这个领域耕耘了十几年，拿到了国内外二三十家主机厂的认可，在华南区应该是最多的，有大众、通用、一汽、吉利、长安、广汽等，我们测试的类别，除了芯片级的测试，我们还可以做零件级别的，高压的产品可以做，电磁包、车载OPC、电驱，电气测试方面的能力。我们有全套的ISO16750，大众的是VW8000，高液压比较主流的是87303，AW的。前面介绍了芯片级的测试，EMI就是辐射发射，芯片级只用做到一个G，1千兆，零部件做到6个G的发射，这就是我们做辐射发射，EMI的场地，这个叫电波ANS，这个白色的泡沫都藏着能稀释电磁波的材料，这个造价不便宜，两三百万元一间房子，不包含其他的设备。
这个场地原来是我们做EMS的场地，EMS和EMI其实两个是共生的测试项，EMI是对外发射，EMS是外面对我发射，所以两个是双公的方式。在同一个场地，用到的设备不一样，EMI用到功率放大器以及大功率的天线，目前抗绕度EMS也是可以做到6个G，现在国内95%的主机厂做到6G就可以了，个别的主机厂现在要做到10个G。
下一个测试是CI的脉冲类的设备，这个是零部件级别的测试，这个黑色的这一列是机柜，可以根据国际标准ISO7637做全套的脉冲，从脉冲1到脉冲51，用的是EMtest的设备，国内国外主流的厂家。
最后再说一个我们的静电放电，静电放电不管是芯片级还是零部件级甚至整车级，都不能忽视的一个测试项目，因为这个直接涉及到消费者，会非常影响使用体验，所以这个测试几乎是所有产品都要做的。我们配的也是EMtest的枪，我们实验室有两个测试台架，配的四把枪，因为这个设备很贵，也容易坏，一坏就要修很久，要配很多的枪，这就是我们测试的能力。
我们主要的客户是国内主要的主机厂，大的TI1厂家。
今天我的介绍就到这里，谢谢。
