电力线载波通信专用宽带芯片的设计_李兵.pdf

28 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学摘要：阐述电力专用宽带电力线载波技术的特点，专用宽带载波通信芯片结构，包括结构单元分解、敏感结构要素分析、指标体系构建，探讨载波通信芯片的设计方案、芯片模型仿真验证。关键词：集成电路设计，宽带载波，仿真验证。中图分类号：TN402，TN913.6文章编号：1000-0755(2023)05-0028-03 文献引用格式：李兵.电力线载波通信专用宽带芯片的设计J.电子技术,2023,52(05):28-30.征可用时变性的线性滤波器模型来描述。脉冲噪音,是由于切换运行造成的,它与电厂的运行行为有很大的联系。电力系统中的同步噪声,主要是通过整流装置来实现。（2）线路阻抗变化。300 400的电阻值一般是指在电线中的上下浮动电压。实践表明,在(1/波幅)范围内,对载波信道的影响会更大。当信道有故障或电容负载时,载波信道的阻抗会发生变化,从而造成通信中断。在低压用户的配电网络中,载波信道的阻抗波动比较大,当负载大时,其阻抗小于1,这将极大地影响到系统的阻抗输出。国内外发展现状。根据国内外研究现状可知，电力专用宽带电力线载波通信芯片是目前光电信息处理的核心高速器件，且未来雷达系统、高性能载波光子通信等领域对大带宽调制阵列芯片的需求迫切。而国内商用电光调制器的完备技术积累方面仍有不足，尤其是宽带调制及其在相关系统的应用难以实现自主可控。需要开展电力专用宽带电力线载波通信芯片调制阵列技术研究，推动载波高速光子器件的发展和自主可控。2 电力专用宽带电力线载波通信芯片结构在开展电力专用宽带电力线载波通信芯片结构分析试验时，由于电力专用宽带电力线载波通信芯片无封装外壳，参照工程标准设置的常规器件结构分析试验项目和试验方法无法完全适用于电力专用宽带电力线载波通信芯片的结构分析工作。0 引言电力专用宽带电力线载波通信是一种以高压电力线、中压电力线、低电压电力线为通信媒介的一种特殊的通信方法。随着我国智能电网的不断完善,电力测量的自动化已经成为智能电网的重要组成部分。电力线路的载波通信是实现电能测量自动化的有效手段。当前,随着电力专用宽带电力线载波技术的发展和社会需求的日益增长,高、中、低压电力线载波通信技术的发展前景十分广阔。电力专用宽带电力线载波通信技术的普及,为今后电力工业的发展奠定了坚实的基础。1 电力专用宽带电力线载波技术的特点可靠性的要求。由于电网的调度信息非常重要,所以电力线载波设备的可靠性要求很高,而且为了保证供电的安全,必须要有足够的可靠度。因此,在运输设备出厂之前,需要对其进行一些特别的检测,如高温老化等。这些设备,都是国家制定的,国家质量监督检验检疫部门,对这些设备,都有严格的管理。随着科学技术的发展,电力通信设备也有很多类型的产品,如:中低电压载波机、保护收发机、调制解调器等,都属于国家管制的范畴。（1）线路噪音大噪声对电力载波通信来说是一个很大的问题,它的噪声要比电讯系统大得多,特别是在高电压的情况下,更是如此。根据以往的经验,大致可以分为下列几种：噪声的功率谱平滑,其功率谱密度与诸如电晕噪声等频率的衰减关系密切。该噪声特电力线载波通信专用宽带芯片的设计李兵（融硅思创（北京）科技有限公司，北京 100043）Abstract This paper describes the characteristics of power dedicated broadband power line carrier technology,the structure of dedicated broadband carrier communication chip,including structural unit decomposition,sensitive structure element analysis,index system construction,and discusses the design scheme of carrier communication chip,chip model simulation verification.Index Terms integrated circuit design,broadband carrier,simulation and verification.Design of Broadband Chip for Power Line Carrier CommunicationLI Bing(RGSC(Beijing)Technology Co.,Ltd.,Beijing 100043,China.)作者简介：李兵，融硅思创（北京）科技有限公司；研究方向：电力通信、电子技术。收稿日期：2022-05-11；修回日期：2023-05-12。电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 29Electronics 电子学从电力专用宽带电力线载波通信芯片结构特点出发，研究分析芯片结构、工艺、材料对实际使用的影响，对电力专用宽带电力线载波通信芯片影响使用可靠性相关的结构单元进行分解，识别并分析集成电路芯片结构、工艺、材料对应用过程中的敏感要素，提出集成电路芯片结构、工艺、材料对应用可靠性的评价指标，结合评价指标考核要素特点，设计芯片的结构分析试验方法，得出电力专用宽带电力线载波通信芯片的结构分析试验项目。结构单元分解。电力专用宽带电力线载波通信芯片结构单元分解成基础物理单元和材料界面，物理层面可分解为芯片结构、键合区、背金层和钝化层1,2。从芯片功能实现的电气组成分解为电阻、电容、电感等无源元件。敏感结构要素分析。综合考虑电力专用宽带电力线载波通信芯片的安装特性、温度特性、电学特性，结合使用/贮存环境，对每一个结构要素的可靠性进行考察，评价单一结构要素在特定环境中的可靠性，分析可能存在的潜在失效机制。电力专用宽带电力线载波通信芯片主要敏感结构有键合区、背金材料、钝化层、芯片尺寸、键合区尺寸等2。指标体系构建。根据专项工程标准，结构分析所反映的评价指标为质量可靠性评价指标，一般包括设计可靠性、结构可靠性、工艺可靠性、材料可靠性等方面的因素，以发现是否使用了行业规定的禁用结构、禁用工艺、禁用材料。结合微波放大器芯片分析的敏感要素，明确其指标体系主要考察芯片尺寸、键合焊盘尺寸、芯片粘接材料、键合区材料、芯片管脚定义标识等。（1）设计可靠性。设计可靠主要考察芯片粘接面是否设计有背金层、设计的背金层厚度是否满足要求。（2）结构可靠性。结构主要考虑芯片尺寸、钝化层结构、芯片键合区结构。影响结构可靠性的因素主要是芯片的厚度、安装尺寸，将芯片尺寸作为评价指标。芯片表面有源区应有钝化层，将芯片是否有钝化层结构作为评价指标。芯片粘接结构评价指标主要考察芯片背金层。芯片键合结构评价指标考核芯片键合区是否有镀金层以及镀金层是否满足可靠性要求。（3）工艺可靠性。根据器件的结构可知，电力专用宽带电力线载波通信芯片的工艺可靠性主要有芯片划片可靠性和器件互联工艺。工艺可靠性需要考察器件是否有禁限用工艺，划片工艺可靠性评价指标主要考察芯片安装是否符合GJB548B-2005方法2010.1第3.1.3中划片和芯片缺陷的要求。（4）材料可靠性。材料可靠性评价指标主要检查芯片是否有禁限用材料。例如，芯片使用纯锡、纯锌、纯铬、纯银等禁用材料；使用有机聚合材料等航空航天限用材料；键合区材料主要考察芯片键合区选用材料是否满足可靠性要求，键合区表面镀金，不能存在纯银材料。背金材料可靠性主要考察芯片粘接面背金材料是否满足可靠性要求，主要考虑材料类型和厚度，要求芯片背面镀金，并能满足剪切强度要求；钝化层材料主要考察芯片有源区钝化层材料是否满足可靠性要求。电力专用宽带电力线载波通信芯片结构分析试验项目开展如下：（1）外观检查。芯片上具备“IN”“OUT”“V1V9”管脚定义标识，同时芯片表面有DPATDC_G_(.)25_GB标识的字样。芯片采用GaAs异质结外延材料工艺，采用0.25mPHEMT工艺技术制造。芯片表面除键合区外均采用氮化硅钝化保护，背面镀金，键合区镀金。芯片划片无明显损伤，未见划片产生的缺口延伸到有源区等功能区；金属化区域无腐蚀、划伤、空洞等异常现象；耦合桥与下层金属化之间有可见间隙，无塌陷等异常现象；钝化层完整，无空洞、裂纹、破损等异常现象。（2）尺寸检查。测量芯片物理尺寸L、W，均在允许判限值以内，符合器件产品手册。对键合区尺寸、镀金层厚度进行测量。（3）SEM检查（能谱分析）。对样品进行SEM检查，键合区金属化材料平整，未见空洞、裂纹、凹陷、凹槽、分隔等缺陷；钝化层完整，无空洞、裂纹、破损等异常现象；背面金属化材料平整，未见剥皮、翘起、空洞、小丘之类的缺陷；阻容、耦合桥形貌完整，未见划伤、空洞等曲线。（4）键合强度和剪切强度试验。为了验证芯片键合区和背金材料是否满足应用要求，通过对芯片进行粘接和键合装配，通过键合强度和剪切强度试验验证并对芯片粘接质量和芯片键合质量进行评价，验证芯片背金材料和键合区材料是否满足要求。采用 Au80Sn20金锡焊料烧结工艺，焊接温度为2905，焊接时间30s，样品采用25m金丝键合，金丝键合工艺为热超声。3 电力专用宽带电力线载波通信芯片的设计方案电力专用宽带电力线载波通信芯片模型构建。电力专用宽带电力线载波通信芯片的通信芯片结构示意图如图1所示，基于马曾干涉仪（MZI）结构调制芯片的射频输入调制信号（GSG输入输出）实现电光调制，其中单臂波导配置了光子晶体结构（色散补偿一维光子晶体波导结构）的铌酸锂薄膜波导，实现光子晶体铌酸锂薄膜波导的低损耗的同时，光子晶体的场局域将增强电光调制效率，缩小调制长度。另一臂则为铌酸锂薄膜脊型波导作为参考干涉端，与光子晶体铌酸锂薄膜波导构成推挽型图1 电力专用宽带电力线载波通信芯片示意图30 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学干涉仪结构实现电光幅度调制。而其行波调制电极结构则由通信芯片结构周期的T型周期性电极构成，直接电压（DC）偏置电压可实现相位调控，同时结合外部的光电探测器（PD）实现反馈（通过外置控制电路）控制稳定MZ干涉结构调制的工作点。电力专用宽带电力线载波通信芯片模型仿真验证与分析。（1）光场与通信芯片结构电极的静态电场分布仿真实验与分析。通过有限元方法（FEM:Comsol软件）对通信芯片结构电极图1的结构与尺寸参数、电场分布和局域的增强效应、量化出波导阵列的电光效应引起的相位调制（相移）进行仿真计算，结果如图2所示，利用有限元方法计算了铌酸锂波导通信芯片结构电极的静态电场分布截面图，仿真结果在实验中得到了较好的验证。通过优化通信芯片结构电极几何参数和结构参数来协同优化电调制信号和传输光波信号下的速度不匹配问题，使得波导的有效折射率在射频信号和光信号的场调控中趋于一致。本文初步通过有限元的分析方法，计算出配置在铌酸锂薄膜波导上的通信芯片结构电极的阻抗匹配特性随频率的变化情况，同时也计算在铌酸锂薄膜波导结构固定的情况下，调控缓冲层（低折射率层）的厚度情况下得出光波与射频波的群折射率匹配情况，如图3所示。这将为下一步分析其电调制特性和电光调制响应奠定基础。（2）理论与协同仿真分析。根据折射率分布和波导结构，协同计算和分析出调制芯片实现的静态、动态调制光学传输特性、光谱特性、电光调制的量化和调制速率等，优化出波导在射频信号和光波信号下的速度匹配条件获得高性能调制效果。根据前期配置在铌酸锂薄膜波导上的通信芯片结构电极随频率变化的阻抗匹配特性计算结果和光波与射频波在不同缓冲层厚度群折射率匹配情况，通过有限元分析方法初步计算出其电调制特性的射频参数（如S11,S21），再通过通信芯片结构行波电极的损耗特性、波导的传输和损耗特性计算出其电光调制响应(EO S21)特性，如图4所示。从图示可以清晰地看出，该调制带宽可以达到120GHz以上，充分证实了本文所构建的电力专用宽带电力线载波通信芯片结构符合大调制带宽设计要求。本文提出了通过结构的色散补偿解决了光子晶体结构对光学带宽的限制，突破了当前电力线载波通信芯片的瓶颈，并实现兼具高调制效率、高调制带宽、低损耗的高性能电光调制芯片及其阵列化芯片进行了建模与仿真，其结果一致表明，该结构能够有望实现电力专用宽带电力线载波通信芯片的集成，同时可为未来的电力专用宽带电力线载波通信芯片的建模与仿真提供技术基础。4 结语在现代社会和科学技术高度发达的今天,电子设备和通信技术市场,对电力专用宽带电力线载波通信芯片的需求量大幅增长，市场开发前景非常广阔。技术人员还须全面分析电力专用宽带电力线载波通信芯片技术的优势和工艺流程,加大研发力度,持续优化完善通信芯片技术,为促进电力行业全面发展提供技术支持。参考文献1 郭昊坤.电力系统通信技术发展现状综述与展望J.电子元器件与信息技术,2017,1(06):1-6.2 孟祥育.电力线扩频载波通信芯片设计D.浙江：浙江大学,2003.3 周春良,周芝梅,樊文杰,王连成,冯曦,唐晓柯.电力专用宽带电力线载波通信芯片的设计与应用J.微型机与应用,2017,36(11):34-36+43.（a）光场的分布（b）电极的静态电场分布图2 通信芯片的结构截面图（a）电极随频率变化的阻抗匹配特性计算（b）光波与射频波在不同缓冲层（低折射率层）厚度的群折射率匹配图3 通信芯片的特性图4 调制射频参数(S11,S21)的计算结果