La modélisation de l’immunité des circuits intégrés au-delà de 1 GHz

Integrated circuit immunity modelling beyond 1 GHz

• Auteur / Autrice : Sjoerd Op 'T Land
• Direction : M'hamed Drissi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 20/06/2014
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Sicard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : M'hamed Drissi, Étienne Sicard, Geneviève Duchamp, Jean-Luc Levant, Richard Perdriau, Mohamed Ramdani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Étienne Sicard, Geneviève Duchamp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

CEM

Immunité

Cellule de Taylor

Modélisation

Couplage champ-à-piste

DPI

ICIM-CI

EMC

Immunity

Taylor cell

Modeling

Field-to-trace coupling

DPI

ICIM-CI

Electromagnetic compatibility

Integrated circuits

Résumé

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'aptitude des produits électroniques à coexister au niveau électromagnétique. Dans la pratique, c'est une tâche très complexe que de concevoir des produits compatibles. L'arme permettant de concevoir des produits bon-du-premier-coup est la modélisation. Cette thèse étudie l'utilité et la faisabilité de la modélisation de l'immunité des circuits intégrés (CI) au-delà de 1 GHz. Si les pistes des circuits imprimés déterminent l'immunité rayonnée de ces circuits, il serait pertinent de pouvoir prévoir l'efficacité de couplage et de comprendre comment elle découle du routage des pistes. Les solveurs full-wave sont lents et ne contribuent pas à la compréhension. En conséquence, un modèle existant (la cellule de Taylor) est modifié de manière à ce que son temps de calcul soit divisé par 100. De plus, ce modèle modifié est capable de fournir une explication de la limite supérieure pour le couplage d'une onde plane, rasante et polarisée verticalement vers une piste de plusieurs segments, électriquement longue et avec des terminaisons arbitraires. Les résultats jusqu'à 20 GHz corrèlent avec des simulations fullwave à une erreur absolue moyenne de 2,6 dB près et avec des mesures en cellule GTEM (Gigahertz Transversale Electromagnétique) à une erreur absolue moyenne de 4,0 dB près. Si l'immunité conduite des CI est intéressante au-delà de 1 GHz, il faut une méthode de mesure, valable au-delà de 1 GHz. Actuellement, il n'y a pas de méthode normalisée, car la fréquence élevée fausse les observations faites avec la manipulation normalisée. Il est difficile de modéliser et de compenser le comportement de la manipulation normalisée. Par conséquent, une manipulation simplifiée et sa méthode d'extraction correspondante sont proposées, ainsi qu'une démonstration du principe de génération automatique de la carte d'essai utilisée dans la manipulation simplifiée. Pour illustrer la méthode simplifiée, l'immunité conduite d'un régulateur de tension LM7805 est mesurée jusqu'à 4,2 GHz. À part la tendance générale des fréquences qui montent, il y a peu de preuve concrète qui étaye la pertinence de la modélisation de l'immunité conduite des CI au-delà de 1 GHz. Une simulation full-wave suggère que jusqu'à 10 GHz, la plus grande partie de l'énergie rentre dans la puce à travers la piste. Par concaténation des modèles développés ci-dessus, l'immunité rayonnée d'une piste micro-ruban et d'un régulateur de tension LM7805 est prédite. Bien que ce modèle néglige l'immunité rayonnée du CI lui-même, la prédiction corrèle avec des mesures en cellule GTEM à une erreur absolue de 2,1 dB en moyenne. Ces expériences suggèrent que la plus grande partie du rayonnement entre dans un circuit imprimé à travers ses pistes, bien au-delà de 1 GHz. Dans ce cas, la modélisation de l'immunité conduite au-delà de 1 GHz serait utile. Par conséquent, l'extension jusqu'à 10 GHz de la méthode de mesure CEI 62132-4 devrait être considérée. De plus, la vitesse et la transparence du modèle de Taylor modifié pour le couplage champ-à-ligne permettent des innovations dans la conception assistée par l'ordinateur. La génération semiautomatique des cartes d'essais dites maigres pourrait faciliter l'extraction des modèles. Certaines questions critiques et importantes demeurent ouvertes.

Electromagnetic Compatibility (EMC) is the faculty of working devices to co-exist electromagnetically. In practice, it turns out to be very complex to create electromagnetically compatible devices. The weapon to succeed the complex challenge of creating First-Time-Right (FTR) compatible devices is modelling. This thesis investigates whether it makes sense to model the conducted immunity of Integrated Circuits (ICs) beyond 1 GHz and how to do that. If the Printed Circuit Board (PCB) traces determine a PCB's radiated immunity, it is interesting to predict their coupling efficiency and to understand how that depends on the trace routing. Because full-wave solvers are slow and do not yield understanding, the existing Taylor cell model is modified to yield another 100 times speedup and an insightful upper bound, for vertically polarised, grazing-incident plane wave illumination of electrically long, multi-segment traces with arbitrary terminal loads. The results up to 20 GHz match with full-wave simulations to within 2.6 dB average absolute error and with Gigahertz Transverse Electromagnetic-cell (GTEM-cell) measurements to within 4.0 dB average absolute error. If the conducted immunity of ICs is interesting above 1 GHz, a measurement method is needed that is valid beyond 1 GHz. There is no standardised method yet, because with rising frequency, the common measurement set-up increasingly obscures the IC's immunity. An attempt to model and remove the set-up's impact on the measurement result proved difficult. Therefore, a simplified set-up and extraction method is proposed and a proof-of-concept of the automatic generation of the set-up's PCB is given. The conducted immunity of an LM7805 voltage regulator is measured up to 4.2 GHz to demonstrate the method. Except for a general trend of rising frequencies, there is only little concrete proof for the relevance of IC immunity modelling beyond 1 GHz. A full-wave simulation suggests that up to 10 GHz, most energy enters the die via the trace. Similarly, the radiated immunity of a microstrip trace and an LM7805 voltage regulator is predicted by concatenating the models developed above. Although this model neglects the radiated immunity of the IC itself, the prediction corresponds with GTEM-cell measurement to within 2.1 dB average absolute error. These experiments suggest the most radiation enters a PCB via its traces, well beyond 1 GHz, hence it is useful to model the conducted immunity of IC beyond 1 GHz. Therefore, the extension of IEC 62132-4 to 10 GHz should be seriously considered. Moreover, the speed and transparency of the modified Taylor model for field-to-trace coupling open up new possibilities for computer-aided design. The semi-automatic generation of lean extraction PCB could facilitate model extraction. There are also critical remaining questions, remaining to be answered.