Méthodologie prédictive de l immunité conduite d un circuit intégré non linéaire

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1 Méthodologie prédictive de l immunité conduite d un circuit intégré non linéaire A. C. Ndoye 1, E. Sicard 1, F. Lafon 2 (1) INSA, LATTIS, 135 av. de Rangueil, 377 Toulouse cedex 04 (2) VALEO, 2 rue F. Pouillon Créteil Résumé. Ce papier présente une méthodologie et une approche de modélisation de l immunité d un composant non linéaire de type régulateur de tension 0 ma 5 V. Pour la caractérisation du régulateur, nous avons utilisé un circuit imprimé de test générique développé par VALEO [1] permettant les études d immunité en injection directe dérivée de la norme IEC []. Ce circuit imprimé peut supporter différents composants de types de boitiers du type SO avec un nombre de broches et de taille de boîtier variables. Nous allons dans ce papier présenter une méthodologie de modélisation des impédances des composants discrets de la carte de test, des pistes puis du réseau de l alimentation du régulateur et une prédiction de l immunité conduite [3] d un composant non-linéaire. I. INTRODUCTION Les composants électroniques sont de plus en plus complexes, avec l avancée des technologies et la miniaturisation des systèmes et des composants. En CEM la caractérisation d un composant électronique nécessite un circuit imprimé spécifique avec des règles de fabrication complexes. Les études antérieures nous ont montré que les paramètres et les composants discrets du circuit imprimé jouent un rôle très important dans les caractérisations CEM et en l occurrence dans la mesure de l immunité des composants électroniques. La modélisation de l immunité des composants électroniques demande une réelle maitrise du chemin d injection, du chemin de protection de l alimentation, des couplages internes du composant et du couplage au niveau des charges du composant voir figure 1. Tous les composants discrets du chemin d injection et de charges du composant ont un effet sur la mesure et la simulation de l immunité conduite des composants électroniques. Etant donné que les paramètres autres que ceux du composant, peuvent amener des modifications sur la réponse de l immunité conduite, il est important de comprendre et d intégrer dans l étude de l immunité les composants discrets et autres paramètres du circuit imprimé. Dans un premier temps, nous allons présenter le circuit imprimé et les différentes mesures, par la suite nous exposons une démarche de modélisation des éléments du chemin d injection et du régulateur. Nous détaillons par la suite notre approche de modélisation du régulateur non-linéaire en incluant les effets nonlinéaire. Cette étude rentre dans le cadre du projet Aerospace Valley EPEA [4], qui a pour but de développer un modèle générique d immunité visant une normalisation internationale [2]. II. PRESENTATION DU REGULATEUR ET DU CIRCUIT IMPRIME Le composant étudié figure 2, de type L4949 [4] est un régulateur 5 V pouvant délivrer au maximum 0 ma, intégrant une fonction Reset. Il est monté sur un boitier SOIC. Figure 2. Schéma interne régulateur L4949 [4] Figure 1. Exemple de modélisation générique d immunité conduite Les applications automobiles utilisent beaucoup de composants en boîtier SO8 ou SO14. Nous retrouvons dans ces types de boîtiers des composants permettant d'assurer les fonctions de communication, des régulateurs et des registres d'entrées ou de sorties. Pour étudier la modélisation des composants, la société VALEO a développé une carte générique [1] 1

2 figure 3, pour couvrir le maximum de famille de composants. imprimé et du réseau passif de l entrée du composant testé, figure 5. Le modèle des effets non linéaires est extrait avec les mesures I(V), faite avec le générateur TLP (Transmission Line Pulse) [13]. La mesure d immunité conduite permet de corréler le modèle précédemment bâtit avec les autres caractérisations et d améliorer certains paramètres du modèles afin d avoir une bonne corrélation. Figure 3. Circuit imprimé de test VALEO [1] Le principe du chemin d injection est de supprimer la composante continue par la mise en place d'un condensateur série de 1 nf figure 4, et de transmettre la puissance RF à la carte de test sur la bande 1 MHz 1 GHz. Le signal continu quant à lui doit être mixé au signal RF mais en s'affranchissant de l'effet de l'impédance ramenée par l'alimentation. En mettant l inductance de 47 µh et les 2 ferrites, nous avons une impédance relativement élevée sur la bande de fréquence 1 MHz et 1 GHz qui correspond à la plage de fréquence de la mesure d immunité. Par la même occasion les ferrites et l inductance protègent la source d alimentation des perturbations RF. Radio Fréquence Capacité 1 nf Entrée composant Figure 5. Schéma de principe du régulateur La figure 5, montre le schéma de principe du régulateur qui est notre base pour concevoir le modèle de l immunité conduite de ce composant. IV. MODELISATION DE L IMMUNITE DU REGULATEUR La modélisation de l immunité d un composant électronique est d autant plus complexe que la base qui permet d établir le modèle est un système composé de pistes, de composants discrets et du composant électronique à modéliser. La validité du modèle du composant repose donc en grande partie sur la qualité de l extraction des modèles des autres éléments du circuit imprimé. Alimentation Inductance 47 µh Ferrite Ferrite Figure 4. Chemin d injection DPI et de protection de l alimentation 12 V Les impédances d'entrées des composants sont en général faibles sur cette bande de fréquence. La manière de garantir que les perturbations seront transmises au composant sous test et non aux charges ou aux alimentations, est de placer une haute impédance entre le composant et le point d alimentation, de la même manière que pour les mesures de paramètres S. III. CARATERISATIONS DU COMPOSANT Afin de valider les modèles d impédance et surtout d immunité conduite du composant, nous avons effectué différentes caractérisations. La mesure d impédance, avec l aide de l analyseur vectoriel, permet d extraire, le modèle du chemin d injection, des composants discrets du circuit IV.1 Modélisation de l impédance des éléments du circuit imprimé Au niveau du circuit imprimé, nous avons entre autre, les composants discrets du chemin de protection de l alimentation. La figure 6, montre le modèle de la ferrite et la corrélation mesure/simulation jusqu à 1 GHz. -- Simulation -- Mesure Figure 6. Modéle de la ferrite et comparaison mesure/simulation La mesure d impédance de la ferrite, figure 6, est faite avec un kit de calibrage permettant de calibrer dans le plan de localisation du composant à mesurer, et d extraire un modèle d impédance. 2

3 Cette méthode d extraction de la mesure et du modèle de l impédance est utilisée pour les autres composants discrets du chemin de protection de l alimentation et des charges. Avec le kit de calibrage du circuit imprimé, il est possible de faire du «de-embedding» afin d extraire le modèle d impédance réel du réseau d alimentation VCC interne au régulateur car il dispose de motifs de chemin d injection identique. Nous avons utilisé les motifs du kit de calibrage pour extraire à la fois le modèle de la piste et de la capacité d injection comme illustré dans la figure 7. Pour modéliser le chemin d injection, nous avons un système, figure 7, qui est composé d un condensateur de 1 nf reliée à la masse et à une piste de type FR4 de 25 mm puis d un connecteur SMA pour faire la mesure d impédance. Mesure Z(f) au VNA A u niveau du chemin d injection, nous avons une capacité simulée de 0,8 nf et un modèle qui corrèle à la mesure jusqu à 1 GHz. Avec la figure 8, nous pouvons valider cette étape, qui est très important pour la modélisation de l immunité conduite, et nous intéresser à l impédance de l entrée du régulateur. IV.2 Modélisation de l impédance de l entrée VCC du régulateur Sur l entrée VCC du régulateur, nous avons le lead qui est suivi d un bonding, figure 9, et après la puce. Notre approche est de modéliser dans un premier temps le lead et le bonding qui sont les chemins de couplage puis par la suite les éléments du couplage internes de la puce. La figure 9, montre une vue aux rayons X du régulateur et le modèle séparé du boîtier correspondant au lead et au bonding. Modèle Ligne Transmission carte 25 mm, Er (FR4) =4.6 Model Capacitance 1nF Figure 7. Modèle ligne de transmission et capacité du chemin d injection Le modèle du chemin d injection est composé d une ligne de transmission qui est le modèle de la piste et d un circuit RLC qui est le modèle de la capacité 1 nf. La figure 8, illustre la comparaison mesure/simulation du modèle du chemin d injection. Z(Ohm) -- Simulation -- Mesure Figure 9. Vue 2D, 3D aux rayons X et Modèle boîtier ( lead et bonding) du régulateur Les paramètres géométriques, voir table 1, du régulateur, obtenus a vec les analyses aux rayons X et le datasheet [4] du composant étudié, ont permis l extraction [8] des modèles RLC du lead et du bonding. TABLE I. VALEURS ESTIMEES DES DIMENSIONS DES ELEMENTS INTERNES DU REGULATEUR C=0.8 nf Fréquence (Hz) 1 GHz Figure 8. Comparaison mesu/ simulation ligne de transmission circuit imprimé et capacité d injecti on Paramètre Puce Lead-frame Bonding Longueur 2450 μm 3040μm 700 à 960 μm Largeur 2090 μm 20 μm - Epaisseur 320 μm 220 μm - Diamètre 25 μm Après le modèle du boîtier, nous avons la puce du r égulateur et avec les informations constructeur [4], nous avons procédé à l identification du c hemin de couplage interne figure. 3

4 PNP VCC D D PNP Vb Rreg Figure. Chemin de couplage interne du régulateur VOUT Comme chemin de couplage, nous avons à l entrée de la puce la capacité de couplage de 1 pf comme dans la plupart des circuits intégrés, le réseau d alimentation interne 12 V, les circuits non-linéaires et le réseau de sortie 5 V de la puce. Pour extraire tous ces éléments nous avons la figure 11, qui décrit les mesures d impédance de l entrée VCC du régulateur sur la bande 300 KHz 3 GHz avec et sans chemin d injection. La mesure de l impédance Z(f) de- Embedded c est-à-dire sans le chemin d injection, composé de la piste et de la capacité, permet de se rapprocher de la puce du régulateur et de décrire avec plus de précision le chemin de couplage interne. Ce circuit RC en série représente le couplage au niveau du pré régulateur et celui capacitif entre l émetteur et la base du transistor PNP [7]. Le transistor bipolaire est modélisé par une diode et un circuit RC parallèle, qui tient aussi compte du fonctionnement du régulateur en mode continu. Les mesures de courant en fonction de la tension du régulateur [13], nous on permis d extraire les modèles des circuits non linéaires et de voir leurs effets dans les couplages internes. La résistance Rreg est interne au régulateur et elle permet d adapter la tension de sortie. Nous avons intégré dans le modèle le couplage du réseau de sortie avec une capacité de 3 pf et une résistance de 40 Ω. Au niveau de la figure 13, nous avons le modèle de l impédance VCC du régulateur, qui intègre le chemin d injection, le chemin de protection des alimentations, le modèle du régulateur puis les modèles des charges et pistes du circuit imprimé. 00 Entrèe VCC avec chemin d'injection Entrèe VCC seul "de-embbeding" Impédance [Ohm] 0 0k 1M M 0M 1G Frequence [Hz] Figure 13. Modèle d impédance du régulateur Tous les éléments du modèle sont importants et utiles pour la corrélation avec la mesure. La mesure d impédance est effectuée avec le banc décrit au niveau de la figure 14 avec un analyseur de réseaux vectoriel. Analyseur Vectoriel Figure 11. Mesure Impédance Z(f) de l entrée VCC avec et sans chemin d injection Nous avons une différence, en basse fréquence et sur la bande 200 MHz 1 GHz, entre la mesure au ras de l alimentation VCC du régulateur et de celle avec le chemin d injection. Après la capacité de couplage de la puce de 1 pf, nous avons modélisé le couplage du réseau de l alimentation interne par un circuit RC, figure 12. RF DC + 12V C 1nF L2 L3 Ferrite L1 47uH 1 VCC 2 Regulator CHARGES Figure 14. Banc de mesure impédance d entrée VCC au VNA VCC Vout La corrélation mesure/simulation de l impédance d entrée VCC avec le chemin d injection du régulateur est présentée au niveau de la figure 15, avec une bonne corrélation sur la bande 1 MHz 1 GHz. Figure 12. Modèle fonctionnel et de couplage du régulateur 4

5 Impédance [O hm ] K 1K 0 - Simulation - Mesure 1 GHz Power Meter Générateur power 9 KHz 2 GHz Power Amplifier 1 MHz 2 GHz Alimentation 12 V Coupleur 0 MHz 2 GHz Oscilloscope 500 MHz 1 1M M 0M 1G Fréq uence [Hz] Figure 15. Comparaison mesure/simulation de l impédance Z(f) avec chemin d injection Nous avons une résistance DC qui est de 218 Ω. Le modèle de l impédance est validé par la figure 16, qui montre une corrélation entre la mesure au ras du composant et la simulation sans le chemin d injection. Impédance [Ohm] K 1K 0 - Simulation - Mesure 1 GHz Figure 17. Banc de mesure d immunité conduite du régulateur Le banc est validé pour des mesures d immunité conduite sur la bande 1 MHz 1 GHz. Le critère de susceptibilité est +/- 200 mv sur la sortie Vout du régulateur qui est de 5 V au nominal. Au niveau de la figure 18, nous avons la mesure d immunité conduite du régulateur faite à l aide du banc de mesure décrit ci-dessus et la simulation. Le post-processing et l extraction des puissances sont faites sous IC-EMC [6] puis la simulation analogique avec Winspice [12]. Notre critère au niveau de la modélisation est une dérive de la tension de sortie du boîtier supérieure ou égale à 5 V +200 mv et le temps de simulation est de 1 µs. Puissance [dbm] 30 0 MHz - Simulation - Mesure 1 1M M 0M 1 G Fréquence [Hz] Figure 16. Comparaison mesure/simulation de l impédance Z(f) de VCC seul Nous avons une bonne comparaison entre la mesure et la simulation. Par contre à 300 MHz et 1 GHz, il ya un léger décalage au niveau de l impédance entre la mesure effectuée au ras du composant et la simulation. IV.3 Modélisation de l immunité conduite Dans la modélisation de l immunité conduite, nous avons considéré le modèle d impédance du régulateur précédemment validé. Pour la simulation de l immunité, en plus du modèle de la figure 13, nous avons le modèle de la source de puissance et du coupleur bidirectionnel. La figure 17, présente le banc de mesure de l immunité conduite d un composant. Il est composé principalement, d un bloc de puissance, d un coupleur bidirectionnel, de la carte de test, de l oscilloscope pour voir le signal de sortie avec le critère de défaut et d un wattmètre pour mesurer de la puissance injectée M 0 - M 0 M 1 G Fréquence e [Hz] Figure 18. Comparaison mesure/simulation de l immunité conduite de l alimentation du régulateur Nous avons une corrélation correcte entre la mesure et la simulation de 0 MHz à 1 GHz. Par contre en basses fréquences nous avons une simulation qui présente un comportement plus immune qu en mesure. V. CONCLUSION Dans ce papier nous avons décrit une approche pour prédire l immunité en particulier le cas d un composant électronique analogique non-linéaire. Le but de la prédiction de l immunité d un composant électronique est d intégrer le modèle d immunité dans un flot de conception. Nous avons constaté au cours de notre étude que l obtention du modèle intrinsèque composant est très complexe et il repose essentiellement sur la conception du circuit imprimé, l extraction de tous les éléments discrets du circuit 5

6 imprimé, sur la validité des mesures et sur la qualité d identification du chemin de couplage. Afin de valider notre modèle non-linéaire du régulateur, nous allons par la suite caractériser différente configuration et modifier l environnement du régulateur en fonction pour valider le caractère prédictif de notre modèle. REFERENCES [1] F. Lafon, M. Ramdani, R. Perdriau, M. Drissi, F. de Daran An Industry-Compliant Immunity Modeling Technique for Integrated Circuits EMC Kyoto 09 [11] International Electro-technical Commission IEC «Integrated circuits EMC IC Modelling ", IEC standard, [12] WinSpice est disponible en ligne sur [13] Keithley Instruments Inc. Nominal Ref series : V, 1A [14] Plus d information sur le format IBIS depuis [2] International Electro-technical Commission "IEC : Integrated Circuits, Measurements of Susceptibility", IEC standard, 2002, [3] EPEA EMC Platform for Embedded Applications [4] DataSheet «L4949, NCV4949, 0 ma, 5.0 V, Low Dropout Voltage Regulator with Reset and Sense», PDF révision 12, Novembre 2008 en ligne sur d=l4949 [5] A. C. Ndoye, A. Boyer, E. Sicard, S. Serpaud, F. Lafon, S. Rigour A Concurrent Engineering Platform for Modeling IC emission and immunity EMC Kyoto 09 [6] E. Sicard, A. Boyer, «IC-EMC v1.5 User's Manual», ISBN , June 2007, 160 pages, INSA Editor [7] F.Fiori, P.S. Crovetti, "EMC issues in linear voltage regulator circuit design for SoC applications", 5th Int. workshop on EMC of ICs (EMC-COMPO 05), Munich (GER), Nov 2005 [8] N. Delorme, M. Belleville, J. Chilo «Inductance and capacitance analytic formulas for VLSI interconnects» Electronic letters, vol 32, n 11, pp , May 1996 [9] Yen C.S, Fazarinc, Z., Wheeler, R. L. «Analysis of lossy transmission lines», proceedings of the IEEE, Vol. 70, n 7, July 1982, pp [] A. E. Ruehli, «Inductance Calculations in a Complex Integrated Circuit Environment», IBM Journal of Research and Development, September

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