ICEM et ICIM, deux modèles de CEM pour les circuit intégrés

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Léon Léonard
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1 Villepinte 2009 ICEM et ICIM, deux modèles de CEM pour les circuit intégrés Jean-Luc Levant Senior Expert CEM

2 Sommaire Introduction Le modèle ICEM-CE Le modèle ICIM-CI Conclusions October 09 2

3 Introduction Pourquoi des modèles? Présentation du standard IEC62433 October 09 3

4 Pourquoi? Plan économique Introduction - Pour participer à la réduction du temps d introduction des nouveaux produits(1) sur le marché. - Réduire les coûts associés à l amélioration des protections CEM. Plan technique - Maîtriser les niveaux des émissions Conduites / Rayonnées (champ proche et champ lointain). - Maîtriser les niveaux d immunité des cartes et des CI. (1) Produits : Circuits Intégrés, cartes électroniques, équipements, October 09 4

5 Le standard IEC62433 Introduction Modèles des circuits intégrés pour la simulation comportementales de l'émission et de la susceptibilité électromagnétique - IEC Définition (CD) - IEC Modélisation des émissions conduites (IS) - IEC Modélisation des émissions rayonnées (NP) - IEC Modélisation de la susceptibilité conduite (NP) - IEC Modélisation de la susceptibilité rayonnée - IEC Modélisation de la susceptibilité aux transitoires rapides - IEC Modélisation de la susceptibilité interne (NP) October 09 5

6 Le modèle ICEM-CE October 09 6

7 But Le modèle ICEM-CE IEC : Modélisation des émissions conduites - Pour l équipementier - Prédire les émissions conduites au niveau des cartes électroniques. - Optmiser les filtrages et découplages des alimentations. - Pour le fondeur - Prédire les émissions conduites au niveau des circuits intégrés (SOC, MCM,SIP, microcontrôleur, ASIC, ). - Optimiser les réseaux d alimentations internes des C.I (nombre de paire d alimentation, capacité de découplage, boîtier, ) October 09 7

8 Description Le modèle ICEM-CE Quelques blocs suffisent pour décrire les émissions conduites. - PDN : Passive Distribution Network - IBC : Internal Blocking component - IA : Internal Active Source Xtal1 Xtal2 Reset I.C Architecture Digital Block Analog Block AD[7..0] AD[7..0] WR/ WR/ RD/ RD/ Ready Ready AudioOut AudioIn IO IC EMC Model IT IT ICEM model of the Digital Block Coupler Element IT ICEM model of the Analog Block IT IBC Example Vdd Vss AVdd AVss Vdd Vss AVdd AVss ET[1] ET[0] RVdd PDN Example LVdd RVss LVss CVdd IT[1] IT[0] PDN Element IT[1] IT[3] IT[0] IT[2] IA Element IA Example IT[3] IT[2] Internal Immunity Model PLL, ADC... IT[1] IT[3] IT[0] IT[2] PDN Component IT[5] IT[6] IT[7] IT[7] IA Component ET[1] ET[0] PDN & IA ICEM Elements PDN & IA elements, October 09 Internal Im munity 8 Model

9 Le modèle ICEM-CE Exemple d un modèle ICEM-CE complet Linéaire (petits signaux ~ 10% de l alimentation) ICEM Model Digital ICEM Block ET5 ET4 Analog ICEM Block Internal Activity Sub-Model IT2 Digital IA Element Analog PDN Element IT6 Analog IA Element CurD+ CurD- IT1 IT5 Vcc21 RicVcc RicVcc Vcc52 Digital PDN Element IT0 IBC1 IBC0 IT4 Gnd22 Kic2122 = 0.49 LicVcc21 = 3.98nH LiCVss22 = 3.98nH RicAVcc 1.66 RicVss CicAVcc 388pF CicVcc 3.15nF RicGnd 0.47 RicVss ZDie Kic5253 = 0.49 LicVcc52 = 3.98nH LicVss53 = 3.98nH Gnd63 IT3 IOs ICEM Block KicAVccGNd = 0.41 LicAVcc = 3.98nH LicGnd = 3.98nH IOs PDN IOs Element ICEM Model IT7 IOs IA Element Passive Network Distribution Avcc Gnd CurA+ CurA- ZPack IT8 ET0 ET1 ET2 ET3 Internal Activity Sub-Model October 09 9

Le Modèle ICEM-CE Exemple d un modèle ICEM-CE complet Linéaire (petits signaux ~ 10% de l alimentation) - Applications : filtrage, découplage, emissions mode conduit, Gnd3 Vcc4 Gnd3 Vcc6 Gnd Avcc IC

10 Le Modèle ICEM-CE Exemple d un modèle ICEM-CE complet Linéaire (petits signaux ~ 10% de l alimentation) - Applications : filtrage, découplage, emissions mode conduit, Gnd3 Vcc4 Gnd3 Vcc6 Gnd Avcc IC ur+ IC u r- V c c4 L V c c4 2.2 nh R V cc4 R V c c C D e cd nF L V cc6 2.2 nh LG n D 5 V cc6 G nd 3 LG nd nh R G nd 3 R D e cd 1.05 R G nd nh G n d5 K c1 = 0.5 R s ub K c1 = G nd A vcc LG nd 2.2nH LA vcc R G nd R A vcc C D e ca 531pF 2.64nH K c1 = October 09 10

11 Le Modèle ICEM-CE Exemple d un modèle ICEM-CE complet Modèle non linéaire - Applications : ESD, transitoires rapides October 09 11

12 Le Modèle ICEM-CE Exemple d utilisation Analyse de la propagation du bruit de mode conduit: : dégradation de la gigue de fréquence/phase. VDD i=10a Package gigue 2.2ns PLL Die Package Bruit de commutation de masse Couplage faible impédance (substrat) October 09 12

13 Le modèle ICIM-CI Integrated Circuit Immunity Model Conducted Immunity October 09 13

14 But Le modèle ICIM-CI IEC : Modélisation de l immunité conduite - Pour l équipementier - Vérifier le niveau d immunité conduite au niveau des cartes électroniques. - Optimiser les solutions de protection. - Pour le fondeur - Garantir l auto-compatibilite des circuits intégrés (SOC, MCM,SIP,microcontrôleur,ASIC, ). - Dimensionner au moindre coût les solutions de protection des fonctions électroniques embarquées. October 09 14

15 Description Le modèle ICIM-CI Le modèle d immunité d une fonction sensible peut être décrite à partir de données suivantes: - PDN : Passive Distribution Network, chemins de couplage du bruit. - IB : Internal Behavioral block, bloc décrivant le comportement interne attendu de la fonction. - Critère d immunité : gigue de phase, SNR, RF_Dist PDN >=? Pass/Fail Immunity Criteria ICIM-CI IB -Le comportement de la fonction sensible est perturbée par la perturbation October propagée par le chemins de couplage (PDN).

16 Le modèle ICIM-CI Exemple Oscillateur à quartz - Critère de susceptibilté : gigue sur la période ICIM-CI Pin(dBm) xtal1 - xtal2 ClkRef Vdd Cdpi + Modèle ICIM-CI Xtal2 Trigger Clock trees ~ Xtal1 ~ Vss PDN IB t T0 +/- DT October 09 16

17 Exemple L ampficateur audio - Le modèle Le modèle ICIM-CI ~ Vb Vdd V s =G0.V e PSRR Vdd ~ V e + G0 - Modèle fonctionnel V s PSRR Vss Modèle des Chemins de couplage V sb =Vs+k1.Vb Vdd + k2.vb Vss ~ Modèle d'immunité Vb Vss October 09 17

18 Exemple L ampfilicateur audio - L analyse de son niveau d immunité. Le modèle ICIM-CI - Critère de susceptibilité : niveau de bruit superposé au signal util > 2.8mV. V CC VSS PDN Numérique ICEM-CE IA V CCA V SSA IBC 2nH 1.66Ω PDN Analogique 2nH 0.47Ω ~ Modèle fonctionnel ICIM PSRR PSRR1 Chemins de couplage Simulation Critère d immunité Evaluation October 09 18

19 Le modèle ICIM-CI Exemple L amplificateur audio - Solution correctrice ICIM-CI V CC 0.4Ω VSS PDN Numérique ICEM-CE IA V CCA V SSA IBC 2nH 1.66Ω PDN Analogique 2nH 0.47Ω ~ Modèle fonctionnel ICIM PSRR PSRR1 Chemins de couplage Critère d immunité October 09 19

20 Le modèle ICIM-CI Exemple Convertisseur analogique/numérique - Evaluation de son niveau d immunité Perturbation injectée sur la tension d alimentation. - Critère d immunité : perte de 2bits. ICIM-CI 1000 Minimum Disturbance Voltage (V) ,1 0,01 0,001 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10 Frequency (Hz) October 09 20

21 Conclusions Le modèle ICEM-CE décrit le courant dynamique consommé par le CI et l impédance vue des broches d alimentation. Le modèle ICEM-CE permet d aborder les prblèmes de CEM du type Power Integrity (découplage, filtrage, émission mode conduit, ). Le modèle ICIM-CI permet de décrire les mécanismes impliqués dans la susceptibilité et d en déduire la robustesse d un fonction sensible vis-à-vis des perturbations. October 09 21

22 Conférences CEM CEM des Circuits Intégrés 14h00 : Les Standards de mesure et de modélisation - Mr Christian Marot EADS IW 14h30 : ICEM et ICIM, deux modèles CEM pour les circuits intégrés - Mr Jean-Luc Levant Atmel Nantes. 15h00 : Application du model ICEM-CE aux découplages des cartes - Mr Jean-Luc Levant Atmel Nantes. 15h30 : Immunité des Circcuits Intégrés - Mr Frédéric Lafon VALEO 16h00 : Le champ proche - Mr Olivier Maurice - GERAC October 09 22

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