Методика оценки помехоустойчивости микроконтроллеров к электромагнитному воздействию в ТЕМ-камере

Введение. Традиционные подходы к оценке помехоустойчивости интегральных схем (ИС) сфокусированы на анализе сигналов, создаваемых на их выводах. Подобный подход не позволяет учесть возможное нарушение работы внутренних функциональных блоков ИС типа микроконтроллер (МК). В условиях эксплуатации МК подвергается воздействию внешних электромагнитных помех (ЭМП), способных нарушить его работу за счет изменения данных в памяти МК, что повышает риск отказа устройства в целом. Поэтому актуальна разработка новых методик для оценки помехоустойчивости МК, позволяющих локализовать места, уязвимые к воздействию ЭМП.

Цель работы. Разработка методики для комплексной оценки помехоустойчивости МК, включающей анализ генерируемых сигналов МК и оценку корректности работы его электрически стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) при воздействии ЭМП в ТЕМ-камере.

Материалы и методы. Описаны методика оценки помехоустойчивости МК к воздействию ЭМП в ТЕМ-камере, включающая анализ генерируемых сигналов на выводах МК, и алгоритм проверки целостности данных в ПЗУ. Методика позволяет локализовать изменения в памяти МК с использованием алгоритма проверки контрольных сумм.

Результаты. Экспериментальная оценка помехоустойчивости сигналов на выводах ИС показала отклонения амплитуды, фазы и частоты сигнала с широтно-импульсной модуляцией в 33, 35 и 93 % относительно исходных значений. Зафиксированы изменения в памяти МК при тактовой частоте 72 МГц и внешнем воздействии с уровнем 25 дБм на частотах 72 и 144 МГц. На частоте 72 МГц зарегистрировано изменение 40 % адресного пространства основной программы, при этом данные, записанные в ПЗУ, остались неизменными. Воздействие на частоте 144 МГц привело к изменению 42.68 % адресного пространства основной программы и практически полному стиранию записанных данных в ПЗУ. Установлено, что большинство изменений в ПЗУ наблюдается на основной и кратной ей частотах тактирования МК.

Заключение. Предложенная методика может быть эффективно использована при оценке помехоустойчивости различных МК в ТЕМ-камере.

1. Ключник А. В., Пирогов Ю. А., Солодов А. В. Методические аспекты исследования стойкости интегральных микросхем в электромагнитных полях импульсного радиоизлучения // Журн. радиоэлектроники. 2010. № 8. С. 1–27. URL: http://jre.cplire.ru/win/aug10/3/text.html (дата обращения: 23.05.2025)

2. Пирогов Ю. А., Солодов А. В. Повреждения интегральных микросхем в полях радиоизлучения // Журн. радиоэлектроники. 2013. № 6. С. 1–38. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun13/15/text.html (дата обращения: 23.05.2025)

3. Воздействие импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы памяти / Л. Н. Ахрамович, М. П. Грибский, Е. В. Григорьев, С. А. Зуев, В. В. Старостенко, Г. И. Чурюмов // Радиоэлектроника и информатика. 2006. № 4. С. 15–17.

4. Analysis of EMI effect on flash memory IC / H.-N. Lin, C.-W. Kuo, C.-K. Chen, J.-S. Chen // AsiaPacific Symp. on Electromagnetic Compatibility, Singapore, 21–24 May 2012. IEEE, 2012. P. 757–760. doi: 10.1109/APEMC.2012.6237824

5. Воздействие импульсных электромагнитных полей на микросхемы АЦП и ЦАП / М. П. Грибский, Е. В. Григорьев, В. В. Старостенко, Е. П. Таран, Д. А. Унжаков // Радиоэлектроника и информатика. 2007. № 4. С. 22–24.

6. Investigation on the immunity of microcontroller to electrical fast transients / С. Li, J. Li, J. Wu, Y. Xiao // IEEE 11th Intern. Conf. ASIC (ASICON), Chengdu, China, 03–06 Nov. 2015. IEEE, 2015. P. 1–4. doi: 10.1109/ASICON.2015.7517086

7. Nicolae P.-M., Nicolae I.-D., Stănescu D.-G. Using GTEM cells for immunity tests on electronic boards with microcontroller // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, USA, 06–10 Aug. 2012. IEEE, 2012. P. 44–49. doi: 10.1109/ISEMC.2012.6351752

8. Industry Council on ESD Target Levels. White paper 3: System Level ESD Part I: Common Misconceptions and Recommended Basic Approaches. URL: https://esdindustrycouncil.org/ic/en/documents/whitepaper-3-system-level-esd-part-i-common-misconceptions (дата обращения: 02.02.2025).

9. ГОСТ Р 51048–97. Совместимость технических средств электромагнитная. Генераторы электромагнитного поля с ТЕМ-камерами. Технические требования и методы испытаний. 12 c. URL: http://electro-control.ru/images/standarts/51048-97.pdf (дата обращения: 02.02.2025).

10. Gao H., Cui L. Reliability Analysis for a Degradation System Subject to Dependent Soft and Hard Failure Processes // IEEE Intern. Conf. on Software Quality, Reliability and Security Companion (QRS-C), Prague, Czech Republic, 25–29 July 2017. IEEE, 2017. P. 165–170. doi: 10.1109/QRS-C.2017.33

11. Systematic design technique for improvements of mobile phone’s immunity to electrostatic discharge soft failures / K. H. Kim, J.-H. Koo, B.-G. Kang, S. Kwon, Y. Kim, J. Jeong // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Fort Lauderdale, USA, 25–30 July 2010. IEEE, 2010. P. 348–353. doi: 10.1109/ISEMC.2010.5711299

12. Investigation of Electrostatic Discharge-Induced Soft-Failure Using 3D Robotic Scanning / O. H. Izadi, D. Pommerenke, H. Shumiya, K. Araki // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Signal & Power Integrity (EMC+SIPI), New Orleans, USA, 22–26 July 2019. IEEE, 2019. P. 173–177. doi: 10.1109/ISEMC.2019.8825248

13. Dienot J., Batista E., Ramos I. Thermalelectromagnetic susceptibility behaviors of PWM patterns used in control electronic circuit // 10th Intern. Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMC Compo), Edinburgh, UK, 10–13 Nov. 2015. IEEE, 2015. P. 190–195. doi: 10.1109/EMCCompo.2015.7358355

14. New Test Method for the Pulse Immunity of Microcontrollers / T. Su, M. Unger, T. Steinecke, R. Weigel // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, USA, 09–13 July 2007. IEEE, 2007. P. 1–6. doi: 10.1109/ISEMC.2007.12

15. Using Error-Source Switching (ESS) Concept to Analyze the Conducted Radio Frequency Electromagnetic Immunity of Microcontrollers / T. Su, M. Unger, T. Steinecke, R. Weigel // IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. 2012. Vol. 54, № 3. P. 634–645. doi: 10.1109/TEMC.2011.2165341

16. Demakov A. V., Komnatnov M. E. Improved TEM-cell for EMC tests of integrated circuits // Intern. Multi-Conf. on Eng., Comp. and Inf. Sci. (SIBIRCON), Novosibirsk, Russia, 18–22 Sept. 2017. IEEE, 2017. P. 399–402. doi: 10.1109/SIBIRCON.2017.8109915

17. Demakov A. V., Komnatnov M. E. TEM cell for Testing Low-profile Integrated Circuits for EMC // 21st Intern. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Chemal, Russia, 29 June– 03 July 2020. IEEE, 2020. P. 154–158. doi: 10.1109/EDM49804.2020.9153508