浅谈电力领域芯片设计分析实验室在工业芯片国产化进程中的意义

芯片被喻为“现代工业的粮食”,是一切整机设备的“心脏”,是信息技术产品最重要的核心部件;芯片产业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。集成电路技术水平的高低和产业规模的大小已成为衡量一个国家技术、经济发展水平和国防实力的重要标志。随着工业互联网的迅猛发展,工业芯片市场需求量呈指数式增长,工控系统安全隐患日益严峻;鉴于我国工业芯片对外依存度高,核心技术受制于人,工业芯片国产化势在必行。建立电力领域检测分析实验室,进行芯片功能性能、可靠性验证,解决电力芯片设计、应用难题,服务集成电路上下游企业,构建工业芯片良好生态圈,共同促进工业芯片质量提升。

探究电力行业检测实验室CNAS认可体系的建立

电力行业的智能化水平不断提高,在强化电力系统运行效率的同时,也面临着一定的安全性与可靠性威胁,需要通过具备权威性与公信力的检测实验室进行检测,以做好安全和可靠性问题的预防纠正。本文因此就电力行业检测实验室及相应的中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可体系进行分析与探讨,讨论电力行业检测实验室CNAS认可体系的建立。

宽带电力线通信芯片的低功耗设计

针对宽带电力线通信芯片因工作频段宽和通信速率高而导致功耗较大的问题,在介绍宽带电力线通信单元及芯片的基础上,围绕芯片功耗的影响因素,从工作频段、物理层、MAC层及芯片级多方面详细分析了芯片的低功耗设计技术。目前宽带电力线通信芯片及模块已研发成功,测试结果表明完全满足国家电网用电信息采集系统对宽带电力线通信单元的功耗要求。

基于Cortex-M3的北斗二代基带芯片设计

我国自主研制的北斗卫星导航系统,日益在经济、军事和民用领域得到越来越广的应用。本文提出并设计了基于Cortex-M3处理器的北斗接收机基带处理芯片,设计了时域频域二维并行捕获模块,同时阐述了基于Cortex-M3处理器的控制流程,包括对捕获引擎、跟踪引擎的调度,电文解调和定位解算等。本设计最后在FPGA上完成原型验证,定位结果符合算法预期。

电表用主控芯片的低功耗设计研究

智能电表的功能日趋复杂,电表要求能持续现场工作不少于5年,所以对主控芯片的功能和功耗要求都比较高。研究设计了一款新型电表用主控芯片,功能方面集成了RTC模块、LCD驱动及常用的通信接口模块,同时为了达到低功耗指标,设计了三种不同的工作模式满足电表不同应用场景下的低功耗需求。经过实测,在电表的各种工作模式下,本芯片都实现了非常好的功耗性能。

面向电力射频识别芯片的SPICE模型定制化开发

为了满足电力射频识别(RFID)芯片在-50~125℃的工作温区及高灵敏度的应用需求,定制化开发了芯片宽温区范围内高精度的MOSFET器件SPICE模型,该模型在RFID芯片关键模块中进行了验证。对器件尺寸设计、版图设计、电学性能测试、模型参数提取以及验证环节都进行了定制化开发。在器件模型参数提取环节采用了分块建模以及宏模型的建模方式同时提高了大尺寸和小尺寸器件的温度仿真精度。该模型在宽温度范围内阈值电压仿真与实测值差达到了10 mV以下,饱和电流精度在5%以下。环形振荡器的电路仿真精度相比通用模型提升了近50%,带隙基准源电路仿真精度提升了20 mV。

高性能电力线通信基带收发器的设计

电力线通信因其建议成本低、覆盖范围广,在用电信息采集系统中得到了广泛的应用,然而电力线信道具有高路损、强噪声、强干扰和严重频率性选择衰落的特性,给通信的可靠性带来了巨大的挑战。本文在分析电力线信道特性与高速电力线通信技术标准的基础上,设计出一种新的高性能的电力线通信基带收发器,该收发器通过在脉冲噪声、窄带干扰、同步、信道估计等方面采取有针对性的信号处理技术,可有效抑制和补偿电力线信道中各种干扰与噪声对信号带来的损伤与失真。仿真结果表明,在AWGN信道下,误包率为0时,信噪比高达-6.5 dB,即使在强窄带干扰和脉冲噪声信道环境下,信噪比仅降低2~3 dB。

UHF RFID电子标签芯片低功耗设计及时钟树优化

超高频射频识别标签(UHF RFID)的一个重要指标是工作距离,而提高工作距离的有效方法是降低标签工作功耗。针对一款基于EPC Class-1 Generation-2/ISO18000-6C协议的RFID芯片,提出一种数字后端设计中时钟树动态功耗的优化方法,该方法可以在已完成布局布线的版图上进一步降低动态功耗。在时钟频率1.28MHz、返回频率170 kHz条件下,功耗仿真结果由1.58μW降低到1.357μW。已在TSMC 0.18μm工艺下流片,室温情况下准备阶段样品测试结果数字功耗为0.752 5μW,与后仿真结果0.750 0μW接近,实测激活灵敏度为-18.5 dBm。

电力线载波通信的信道估计和均衡定点化仿真分析

基于国家电网用电信息采集规范,通过对信道估计和均衡算法分析,确定了在电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)芯片中使用最小二乘法(Least Squares,LS)信道估计算法。在算法定点化分析过程中,研究了LS信道估计定点化实现时参数的不同定点字长对系统性能的影响。综合考虑系统性能和面积的trade off(权衡),选取了芯片实现的最优定点化字长。为芯片的算法实现设计提供了一种算法分析方法。

单芯片高集成高速PCIe加密卡设计和实现

针对网络安全问题,为了提升网络数据信息的安全性,通过采用北京智芯微电子科技有限公司自主研发的高速安全芯片SC1038,实现了一种基于单芯片的高集成高可靠性的高速PCIe加密卡设计.SC1038高速安全芯片将算法、PCIe接口和MCU的功能集中到一颗芯片内,芯片支持SM1、SM2、SM3、SM4和SM7国密安全算法,同时支持DES、RSA和SHA国际安全算法,并且芯片内部具有4个独立的真随机源.芯片和上位机之间通过PCIe接口进行通讯,并包含一个基于ARC EM6结构的高性能32位处理器,用于实现PCIe通讯和算法的控制.实测结果表明,该PCIe加密卡解决方案能实现高速算法加解密运算,通过PCIe接口能达到Gbps级的算法吞吐率,具有良好的应用前景.

集成国密算法安全芯片的电力无线传感器研究

随着传感技术的发展。电力无线传感器在智能电网中得到大量应用，但同时也带来了信息安全问题。电力无线传感器通信过程无安全防护，传感数据易被截取。伪造和篡改等，从而影响电网安全稳定运行。提出在无线传感器、无线接收基站中集成基于国密算法的安全芯片，开发基于国密算法的电力传感数据安全接入系统，无线传感器与基站通过双向认证后方可相互通信，传感数据加密传输，避免因篡改、伪造控制指令控制传感设备，保障电网运行的安全。

基于安全芯片的电力物联网统一身份认证技术

随着信息化程度的加深,电力物联网中各种安全问题日渐显现,如盗用账号、越权访问、发布非法信息以及数据篡改等问题在各级电力部门都时有发生,并呈上升趋势,安全问题自然成为重中之重。

电力无线专网中基于频谱检测的SDR技术

230 MHz电力无线专网系统作为目前电力负荷管理系统的主要构成部分之一,随着服务面的扩展和服务量的增大,传输速率低下、频谱资源浪费的缺点日益突出。频谱检测机制能够有效地搜索未使用的频谱空穴,而软件无线电可以充分利用检测到的频谱空穴并有效地提高频带利用率。提出了一种针对电力无线专网的基于频谱检测的软件无线电技术,结合电力无线专网230 MHz频段特点设计了通信系统中收发信机的数字电路,并通过MATLAB仿真验证了方案在在频谱检测上的性能表现。

基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层

安全芯片通常在芯片顶层布满主动屏蔽层,以防止侵入式物理探测、攻击篡改芯片部分功能模块,从而获取芯片内部存储的关键数据和敏感信息。本文提出了一种基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层的方法,对现有静态或动态检测的主动屏蔽层的安全芯片,均可避开主动屏蔽层的检测实施攻击。该方法简易直接,可操作性极强,对芯片的安全设计和攻击具有重要的现实意义。使用该攻击方法,成功实现对智能IC卡进行侵入式攻击,探测到芯片RAM存储器输出数据信号,并重新激活了芯片测试模式。

用于SAR ADC的片上多模式基准电压产生电路的设计

针对工业物联网等应用场景中ADC的供电电压范围宽、功耗要求苛刻等问题,提出了一种配置灵活、低功耗、低噪声的片上基准电压产生电路,为ADC提供与电源无关满量程电压。该电路在电源电压为2.65 V^3.6 V时提供2.5 V参考电压,电源电压为2.2 V^3.6 V时提供1.5 V的参考电压。该电路可以配置成片外电容模式,关闭缓冲器电路,降低整体的功率;还可以配置成内部缓冲器模式,减小基准电压产生电路的建立时间,从而降低ADC单次采样消耗的能量。芯片测试结果表明,该方案能够满足ADC在各种应用条件下的精度和速度需求。

一种低时钟频率下UHF RFID标签芯片PIE解码电路的实现方案

对于标签芯片,降低系统时钟频率是降低功耗、提高通讯距离的最有效手段。首先从理论上按照一种等效判决方法推导出PIE解码电路的更低时钟频率,提出了一种低时钟频率下基于ISO 18000-6 TYPE C协议的UHF RFID标签芯片解码电路的实现方案。设计的解码电路大幅度降低了标签芯片解码电路功耗,提高了标签响应灵敏度。

兼容电力线载波与微功率无线的测试方法与实现

电力线载波与微功率无线是电力采集系统本地通信模块应用最广泛的2种通信技术,性能测试、协议测试及组网抄表测试是本地通信模块在测试验证阶段最重要的测试环节。2种不同通信技术的通信模块,在后期测试验证时需要搭建2种不同的测试环境,为后期的测试带来不便。文章详细论述了一种兼容2种通信技术的应用测试方法,着重介绍了各个组成单元的功能。该测试方法不但可以减少测试人员的时间投入,而且有助于改善本地通信模块的稳定性,对建设坚强智能电网具有重要意义。

处理器供电电源的设计

介绍了DC/DC开关稳压电源系统的设计,电源的拓扑采用全桥电路图拓扑、倍流同步整流方式。设计了一款为工业处理器供电的板载电源产品,进行了功率器件的选型并对影响电源效率的主要功率损失进行了分析,完成此款电源产品的PCB设计。最终的分析结果显示,此款电源产品的电性能参数符合客户的预期效果,并成功应用在工业处理器供电设备上。

基于栅氧化层损伤EEPROM的失效分析

随着超大规模集成(VLSI)电路的发展,芯片结构及工艺变得日益复杂,同时给失效分析工作带来了挑战。内嵌式存储器作为片上系统(SOC)内部模块的重要组成部分,其具有结构复杂、密度高等特点,常规的失效分析手段难以准确定位其失效模式和机理。介绍了红外发光显微镜(EMMI)、电压衬度(VC)、去层、聚焦离子束(FIB)的分析原理及组合失效分析技术。针对传统分析手段的不足及局限性,提出了采用一种选择性刻蚀方法对栅氧化层的微小缺陷进行定位与分析。研究结果表明,该方法对分析栅氧化层击穿等缺陷损伤具有明显的优势,可以减少分析时间并提高失效分析成功率。

LoRa调制及其在衰落信道下的性能分析

物联网的快速发展对于无线通信技术提出了更高的要求,专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网技术( LPWAN: Low Power Wide Area Network)快速兴起。LoRa( Low Power Long Range Transceiver)作为LPWAN 技术的典型代表,受到了广泛的关注与研究。本文对于LoRa 的物理层技术体制进行了分析,给出了其基本的数学信号处理模型,提出了基于FFT( Fast Fourier Transform)的信号解调算法,并将该调制解调技术的仿真性能与正交调制非相干检测的理论性能进行了比较,由仿真结果可以看出,两者的性能是一致的。除此之外,分析了LoRa 系统在Guassian 信道及典型衰落信道下的性能表现。