CN107818218B - 一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器，用以产生瞬态电磁脉冲信号，属于电磁故障注入领域。本发明主要包括直流电源、信号发生器、Marx发生器、MOSFET驱动电路和电磁探头。直流电源分别为Marx发生器和MOSFET驱动电路供电，信号发生器为MOSFET驱动电路提供脉冲信号，控制MOSFET的导通和关断，进而在电磁探头上产生脉宽、频率为设定值的瞬态电磁脉冲。本发明装置在负载端电磁探头两端可产生幅值可调、脉宽可变(200‑2000ns)的电压脉冲信号，进而在电磁探头上产生脉宽、频率为设定值的不同强度的瞬态电磁脉冲。本发明的电磁脉冲发生器设计原理简单，制造成本低，电路稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及电磁脉冲故障注入领域，尤其涉及一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器。
背景技术
随着CMOS工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路的电磁兼容性受到了越来越多的关注和研究。电磁故障注入(EMFI)是指利用电磁探头产生的局部强磁场攻击芯片，从而造成芯片内部产生瞬态的感应电压和电流，对被攻击芯片引入故障。电磁故障注入作为一种新型的攻击方法，能对芯片的局部进行攻击并利用密码分析技术来获取其机密信息，被广泛应用。为研发有效的防护措施，需要研究电磁脉冲故障注入对集成电路芯片的故障机理。因此，研制出一台参数可调的电磁脉冲发生器就显得很有必要。
Marx发生器因可方便地通过级联产生高压而被广泛应用于电磁故障注入领域。目前所研制的电磁脉冲发生器虽然产生的脉冲幅值较高、上升时间较短，但是控制电路复杂、实验装置体积庞大，并且由于使用火花间隙等作为开关，其使用寿命和频率受到很大限制，幅值和脉宽的调节也很困难。由于MOSFET开关器件具有紧凑、高重复频率、轻便、低成本和高效率等优点，使其能结合MOSFET驱动电路，产生电流变化率大的脉冲信号，可研制出电路结构简单、成本低、电磁脉冲输出频率和强度可调的纳秒级电磁脉冲发生器。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器，采用MOSFET作为Marx发生器的开关器件，基于Hspice软件对电路的仿真分析，指导电路元器件的选取和PCB的设计，实现电磁脉冲输出频率和强度的可控调节。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器，包括直流电源、信号发生器、Marx发生器、MOSFET驱动电路和电磁探头，
所述直流电源与所述MOSFET驱动电路、Marx发生器分别连接，为所述MOSFET驱动电路和所述Marx发生器提供电源；
所述MOSFET驱动电路内置有MOSFET驱动芯片、瞬态电压抑制二极管(TVS)、保护电阻(R1)和栅极驱动电阻(Rg)；所述MOSFET驱动芯片的输入端与所述信号发生器的输出端连接，所述MOSFET驱动芯片的输出端与所述栅极驱动电阻(Rg)相连，所述瞬态电压抑制二极管(TVS)与所述栅极驱动电阻(Rg)串联，所述保护电阻(R1)与所述瞬态电压抑制二极管(TVS)并联；
所述Marx发生器包括充电隔离电阻(RC)和一至四级可调Marx电路，所述的充电隔离电阻(RC)的一端与所述直流电源的输出端相连，用于Marx电路的高压与直流电源隔离和充电限流；所述充电隔离电阻(RC)的另一端通过导线与所述Marx电路的第一级电路的二极管的正极连接，每级Marx电路由MOSFET开关、储能电容和二极管组成；在每级所述的Marx电路中二极管的负极通过导线与MOSFET开关和储能电容的并联点连接；所述Marx电路通过在PCB板上的各级连接处放置跳线帽来改变电路结构；MOSFET开关的栅源极分别与所述MOSFET驱动电路的瞬态电压抑制二极管(TVS)并联，用以避免MOSFET开关栅源极过电压导致器件损坏；当MOSFET开关处于关断状态时，二极管导通形成储能电容的充电电流回路，储能电容并联充电至所述直流电源的设定电压值；当MOSFET开关处于导通状态时，二极管反向截止形成储能电容的放电电流回路，已经充满至预设电压值的储能电容以串联方式对所述电磁探头进行放电，通过控制MOSFET开关的导通时间使电磁探头两端获得相应脉冲宽度的高压纳秒脉冲方波，实现在电磁探头上产生脉宽、频率为设定值的瞬态电磁脉冲；当MOSFET开关重新断开时，对储能电容再次充电。
进一步的，所述电磁探头包括线圈匝数、铜线直径和铁氧体磁芯直径三个参数；通过对所述三个参数的设置得到不同类型的电磁探头，用以产生不同强度的电磁脉冲信号。
进一步的，所述电磁探头所产生的电磁脉冲强度与电磁探头上的电流变化率成正比。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1)本发明采用MOSFET作为Marx发生器的开关器件，使得电磁脉冲发生器的重复频率高，使用寿命长。
2)本发明在MOSFET开关的驱动部分，通过MOSFET驱动芯片和低电阻值的栅极驱动电阻Rg对MOSFET开关进行快速充放电，来提高MOSFET的开关速度，可在电磁探头两端产生上升沿和下降沿均达纳秒级别的电压脉冲，进而在电磁探头上产生脉宽、频率为设定值的瞬态电磁脉冲。
3)本发明采用不同类型的电磁探头，便于产生不同电磁强度的电磁脉冲信号。
4)本发明基于Hspice软件的仿真分析，指导电路元器件的选取和PCB板的设计，为电磁脉冲发生电路的设计提供了参考；电路工作稳定性高，实现了电磁脉冲幅度、脉宽和频率的任意调节，能在0.5mm距离对直径为1.5mm的单匝接收线圈产生最高2.9V的感应电压，为进行电磁故障注入实验奠定了基础。
附图说明
图1是电磁脉冲发生器的原理框图。
图2是MOSFET驱动电路的结构示意图。
图3是级数可调的Marx发生器电路原理示意图。
图4(a)和图4(b)分别是电磁探头两端输出的脉冲波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，是电磁脉冲发生器的原理框图，包括：直流电源、信号发生器、Marx发生器、MOSFET驱动电路和电磁探头。直流电源分别为Marx发生器和MOSFET驱动电路供电，信号发生器为MOSFET驱动电路提供脉冲信号，控制MOSFET开关的导通和关断，进而在电磁探头上产生脉宽、频率为设定值的瞬态电磁脉冲。
如图2所示，是所述MOSFET驱动电路的电路设计结构示意图。驱动芯片与MOSFET栅极间串接驱动电阻Rg，适当取值，以减小驱动信号震荡幅值；同时在MOSFET栅源极并联瞬态电压抑制二极管TVS和电阻R1，以进一步限制MOSFET栅源极过电压。
如图3所示，是所述Marx发生器的电路原理图。本发明设计了级数可调的n级Marx发生器电路，每级电路由二极管、MOSFET开关和储能电容组成。本实施例中n取1，图中，D1～D2n为二极管，C1～Cn为储能电容，M1～Mn为MOSFET开关，VDD为直流电源，RC为限流电阻，Magnetic_Microprobe为负载端的电磁探头。
本发明所选用的MOSFET驱动芯片为IXDN609PI，所选用的瞬态电压抑制二极管为SMBJ16CA，所选用的二极管为快恢复二极管DSEI60-06A，所选用的MOSFET开关为IXFB100N50Q3。
其具体步骤如下：
(1)选取用于攻击的电磁探头
本发明选择了圆柱形铁氧体磁芯来增强探头的磁导率，并使用直径为0.1mm的铜线设计了15个特定的小型电磁探头，探头直径分别为0.7mm、1mm和1.2mm，线圈的匝数分别为1、3、5、7、9，用以产生不同攻击区域和不同电磁强度的电磁脉冲；本实施例选用的电磁探头直径为1.2mm，线圈匝数为7；
(2)为驱动芯片供电和为储能电容充电
如图2所示，直流电源为MOSFET驱动芯片提供18V的电源电压，所述信号发生器的触发脉冲信号作为MOSFET驱动芯片的输入信号，经过驱动芯片后，输出脉冲信号的幅度为18V，脉冲最快上升和下降时间可达20ns，用以快速驱动MOSFET的导通和关断；
如图3所示，在充电阶段，MOSFET开关M1～Mn关断，二极管D1～D2n导通形成充电电流通路，直流电源通过限流保护电阻RC和二极管对并联电容C1～Cn充电至直流电源电压VDD；
(3)于MOSFET导通阶段对电容串联放电
如图3所示，在放电阶段，M1～Mn导通，D1～D2n反向截止，电容C1～Cn以串联方式进行放电，n级等效串联电容电压迅速加到负载电磁探头两端，使其获得n倍VDD的电压，用以在电磁探头上产生瞬态的电磁脉冲；
(4)于电磁探头上产生瞬态电磁脉冲
本实施例在电磁探头两端所产生的电压脉冲波形如图4(a)、4(b)所示；测试时，选用了一级Marx发生器电路，直流电源输出电压VDD为0～50V，限流电阻RC为1KΩ，栅极电阻Rg为1Ω，与电磁探头串联的负载电阻RL为20Ω；图4(a)为根据所述信号发生器的脉宽设定，分别在负载端输出脉宽为200ns、1us和2us的电压脉冲信号；图4(b)为直流电源VDD分别输出24V、38V和50V电压的情况下负载端的电压脉冲波形；
本发明采用直径为1.5mm的单匝接收线圈，通过BNC同轴电缆线将测试线圈与示波器连接，用以测试不同的电磁探头在接收线圈上产生的感应电动势的大小；实验测得，当使用三级Marx发生器电路，且电磁探头固定放置于接收线圈正上方0.5mm处时，在接收线圈上测得的感应电压高达2.9V，可使待攻击的芯片产生故障。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于电磁故障注入的纳秒级电磁脉冲发生器，其特征在于，包括直流电源、信号发生器、Marx发生器、MOSFET驱动电路和电磁探头，
所述直流电源与所述MOSFET驱动电路、Marx发生器分别连接，为所述MOSFET驱动电路和所述Marx发生器提供电源；
所述MOSFET驱动电路内置有MOSFET驱动芯片、瞬态电压抑制二极管(TVS)、保护电阻(R1)和栅极驱动电阻(Rg)；所述MOSFET驱动芯片的输入端与所述信号发生器的输出端连接，所述MOSFET驱动芯片的输出端与所述栅极驱动电阻(Rg)相连，所述瞬态电压抑制二极管(TVS)与所述栅极驱动电阻(Rg)串联，所述保护电阻(R1)与所述瞬态电压抑制二极管(TVS)并联；
所述Marx发生器包括充电隔离电阻(RC)和一至四级可调Marx电路，所述的充电隔离电阻(RC)的一端与所述直流电源的输出端相连，用于Marx电路的高压与直流电源隔离和充电限流；所述充电隔离电阻(RC)的另一端通过导线与所述Marx电路的第一级电路的二极管的正极连接，每级Marx电路由MOSFET开关、储能电容和二极管组成；在每级所述的Marx电路中二极管的负极通过导线与MOSFET开关和储能电容的并联点连接；所述Marx电路通过在PCB板上的各级连接处放置跳线帽来改变电路结构；MOSFET开关的栅源极分别与所述MOSFET驱动电路的瞬态电压抑制二极管(TVS)并联，用以避免MOSFET开关栅源极过电压导致器件损坏，所述电磁探头包括线圈匝数、铜线直径和铁氧体磁芯直径三个参数；通过对所述三个参数的设置得到不同类型的电磁探头，用以产生不同强度的电磁脉冲信号，所述电磁探头所产生的电磁脉冲强度与电磁探头上的电流变化率成正比。
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