Compatibilité Electromagnétique des Composants Méthodes, Outils, Innovations

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1 Compatibilité Electromagnétique des Composants Méthodes, Outils, Innovations Etienne SICARD Professeur, INSA Toulouse, FRANCE 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 1 Sommaire I. Evolution des composants et conséquences sur la CEM II. Méthodes de mesure CEM composants III. Outils pour la simulation CEM IV. Innovations V. Conclusion 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 2 1

2 1. Evolution des composants et conséquences sur la CEM Integrated Circuits 50µm 5µm 1 V 100 µa 500 nm Intel Xeon 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 4 50 nm 2

3 Evolution technologique Technologie 0.18µm 0.12µm 90nm 65nm 45nm Complexité 50M 100M 250M 500M 1G Packaging Composant µc µc 16b 16b µc µc µc+dsp µc+dsp µc+dsp µc+dsp Multicore, Multicore, Pic de courant A 2 A A Flash,Ram DSP, Flash,Ram DSP, FPGA, FPGA, A RF RF A 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 5 Evolution technologique Changement de génération Tension Nouveau process Ancien process Temps Commutation plus rapide (0.1 ma/10 ps/porte) Complexité plus élevée Vdd Courant Ancien process Vss di/dt Nouveau process Temps i V = L t Bruit Bruit de de commutation plus plus important 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 6 3

4 Evolution technologique Diminution des marges de bruit Tension d alimentation (V) Marge 100 mv Tension E/S Tension coeur 0.5µ 0.35µ 0.18µ 90nm 65nm 45nm Technologie 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 7 Susceptibilité Avion composite Evolution technologique Equipements Emission Equipements de confort Systèmes mobiles Circuits imprimés Agression radiofréquence Composants Systèmes de sécurité Systèmes de contrôle 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 8 4

5 Intégration multi-puce Evolution technologique Processeur analogique Coeur digital Freescale Redistributed Chip Packaging, 2007 C. Dupoux Measurement and Simulation of EMI in 3G Mobile Components, EMC Compo 09 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 9 II. Méthodes de mesure CEM composants 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 10 5

6 Mesures paramètres S Vector Network Analyzer Coplanar probe Extraction des modèles de package, de capacité on-chip Système de calibration obligatoire (short-circuit, open-circuit, 50 Ω) Pointes spécifiques pour les composants Package 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 11 Mesure d émission parasite Mesures standardisés, valides de 1 MHz à 1-18 GHz IEC (TEM : 1 GHz) IEC /6 (Near-field Scan, 5 GHz) IEC (1/150 Ω, 1 GHz) Méthode rayonnée usuelle Méthode conduite usuelle IEC (Mini-stripline) IEC (Mode Strirred Chamber : 18 GHz) Ext : IEC (GTEM 18 GHz) 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 12 6

7 Mesure d émission parasite Probe de champ magnétique (IEC ) Surface Scan on IC level with high resolution, J. Hacker, Langer EMV-Technik GmbH EMC Compo 09 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 13 Mesure de susceptibilité Mesures standardisées, valides de 1 MHz à 1-18 GHz IEC (Bulk Current Inj. 1 GHz) IEC (Direct Power Inj.1 GHz) IEC (TEM/GTEM) Most usual radiated method IEC (Ministrip 5 GHz) Most usual conducted method IEC : (LIHA : 10 GHz) IEC (NFS 10 GHz) 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 14 7

8 Mesure de susceptibilité Injection directe (DPI ) grâce à une capacité (qq. nf) Générateur signaux Oscilloscope Dispositif sous test Couplage capacitif DUT Dout Signal OK IEEE Bus Amplificateur 10 W Circuit imprimé Augmentation de la puissance ou Faute PC Monitoring Fréquence de 1 MHz à 3 GHz 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 15 Power Meter Mesure de puissance Générateur de signaux Power Amplifier Injection de puissance Mesure de susceptibilité Composant sous test Alimentation du composant Coupleur Extraction des puissances Oscilloscope Critère de défaillance 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 16 8

9 III. Outils pour la simulation CEM composants 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 17 Intérêt des outils Evaluation des performances CEM avant fabrication Définition architecture DESIGN Outils Règles de dessin Training Conception blocs Simulation CEM Performances? NO GO GO FABRICATION Respect des limites CEM 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 18 9

10 Abstraction Une famille de modèles Equipement V,Z 1 V(f), 1 Z(f) PCB Dipôles 10 1 dipôles Composant Dispositif Faible ICEM 101 R,L,C,I 10 2 R,L,C,I LEECS 10 6 R,L,C,I Spice Complexité Moyenne Elevé X-élevée 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 19 Modélisation de l émission Approche typique de comparaions mesures/simulations Simulation Mesure Modèle coeur Modèle package Modèle Probe PCB Simulation temporelle Mesures Fréquentielles Transformée de Fourier Comparaisons dbµv vs. fréquence 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 20 10

11 Modèle du composant Modèle cœur, modèle package (IEC ) IC Core Silicium Passive Distribution Network (PDN) Internal Activity (IA) IOs (IBIS) Package leads (IBIS) Padframe On-package discrete components Le boîtier 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 21 Modèle du composant Substrate, interconnections metallization Réseau complexe de capacités, résistances, inductances Couplage par substrat commun PCB interne Couplage silicium Modèles équivalents à base d éléments simples jusqu à 10 GHz 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 22 11

12 Modélisation de l émission Comparaisons entre mesures et simulations Emission en GTEM cell (dbµv) Measure Modèle Enveloppe bien reproduite Simulation 15 db au dessus de la mesure à partir de 700 MHz Approche détaillée en lien avec les données fondeur -> écart 5 db Fréquence (MHz) 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 23 Modélisation de l immunité Approche temporelle avec extraction de puissance 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 24 12

13 Modélisation de l immunité Micro contrôleur 16 bits Direct power injection Agression d une entrée Critère: changement d état logique Thèse A. Boyer, /11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 25 IV. Innovations 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 26 13

14 Resistive Injection Probe Resistive RF Injection Probe test Method J.L. Levant, EMC Compo 09 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 27 Mesure sur puce Mesure échantillonnée de la variation du courant 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04-0,05-0,06-0,07-0,08 I(A) t(ns) 20 NORM : I_Vs s (t) Echantillonnage d une horloge perturbée par une agression RF externe Thèse B. Vrignon, 2005 Thèse E. Lamoureux, /11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 28 14

15 Near-Field temporel Acquisition en champ proche et post-processing T=clock ns T=clock ns Courtesy LIRMM, France P. Maurine 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 29 Immunité champ proche Injection par boucle magnétique (IEC ) ou probe électrique Magnetic loop Hy Ez Hx Near-field immunity investigation of integrated circuits, S. Atrous, EMC Compo 09 A. Boyer, Electronics Letters /11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 30 15

16 Simulation «full-chip» Layout Silicium voltage drop map PowerSI 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 31 Niveau dispositifs Conception forte immunité Gestion de la tension d alimentation Susceptibility of a Brokaw EMC study of an embedded Bandgap to High electronic system Electromagnetic Interference placed in a hostile EM O. Jović, EMC Compo 09 environment L. Guibert, EMC Compo 09 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 32 16

17 Conception faible émission, forte immunité RC Code Isolated Core Normal Core 06/11/2009 B.Vrignon CESAME CEM Composants test-chip - Méthodes IEEE Trans Outils EMC Innovations Conclusion Tendance à l augmentation de la complexité, du bruit, et à la diminution des marges Méthodes de mesures bien maîtrisées pour l émission et la susceptibilité des composants Limitations à 1-10 GHz Modélisation de l émission et de l immunité composants permettant des approches prédictives Nombreuses innovations, en particulier en France 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 34 17

18 Références Ouvrages Outils Workshops Standards IEC 61967, 2001, Integrated Circuits emissions IEC 62132, 2003, integrated circuits immunity IEC 62433, 2006, Integrated Circuit Model 06/11/2009 CEM Composants - Méthodes Outils Innovations 35 18