Amélioration de la robustesse des microcontrôleurs STM32 soumis à un stress en impulsion par contrôle de leur réponse

Improving robustness of STM32 microcontrollers subjected to impulse stress by controlling their frequency response

• Auteur / Autrice : Lorenzo Quazzo
• Direction : Gilles Jacquemod
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingenieur
• Date : Soutenance le 19/04/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Polytech'Lab
• Jury : Président / Présidente : Pascal Nouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Jacquemod, Pascal Nouet, Laurent Fesquet, Luc Hebrard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Fesquet, Luc Hebrard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcontrôleurs

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

CEM

FTB

Microcontrôleur

EMC

EFT

Microcontroller

Résumé

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'un des aspects clés de la technologie moderne où différents appareils électriques sont utilisés ensemble pour créer une application électronique. Dans ce contexte, la conformité d'un appareil aux normes CEM réduit le risque de défaillances critiques améliorant la fiabilité des produits électroniques. La CEM englobe tous les types de domaines et s'applique à divers appareils, des grandes installations électriques aux appareils portables ou aux circuits intégrés (IC). Ce travail porte sur la susceptibilité électromagnétique des microcontrôleurs, c'est-à-dire la capacité d'un microcontrôleur à fonctionner correctement dans un environnement électromagnétique perturbé. Les microcontrôleurs sont utilisés dans de nombreuses applications différentes nécessitant différents niveaux d'immunité pour différentes typologies de perturbations. Ce travail de recherche étudie la susceptibilité des microcontrôleurs standard STM32 aux événements électriques transitoires rapides tels que définis par la norme IEC 61000-4-4 en introduisant le Fast Transient Burst (FTB) test. Le test FTB consiste à injecter des trains d'impulsions haute tension sur l'alimentation des appareils électroniques. L'étude du comportement du dispositif et l'analyse des mécanismes de défaillance donnent des indications importantes sur son seuil d'immunité. Certaines stratégies système de haut niveau ont été proposées pour améliorer la robustesse d'un équipement électronique aux perturbations électriques rapides mais peu d'études sont consacrées aux solutions de protection dans les circuits intégrés ou dans les boîtiers. Ce travail part des hypothèses de résonances du réseau de distribution d'énergie (PDN) du microcontrôleur étant corrélées avec des seuils d'immunité FTB. En conséquence, certaines techniques de modélisation et de mesure sont présentées pour trouver les résonances dans un dispositif sous test (ou DUT) spécifique composé d'une carte de circuit imprimé (PCB), d'un boîtier et d'une puce en silicium. Enfin, la méthodologie est appliquée à certaines configurations de DUT pour montrer la corrélation entre les caractéristiques de résonance du PDN et les niveaux d'immunité FTB. Ce travail ouvre la possibilité d'utiliser l'analyse de résonance dans l'étude de l'influence de différents choix de conception sur la susceptibilité CEM tels que la taille du boîtier et de la puce et donne ainsi un outil prédictif intéressant à utiliser pendant la phase de conception d'un microcontrôleur.

Electromagnetic compatibility (EMC) is one of the key aspects of modern technology where different electric devices are used together to build an electronic application. In this context, the compliance of a device to EMC standards reduces the chance of critical failures improving the reliability of electronic products. EMC embraces all different kind of domains and it applies to various devices from large electric installations to portable devices or to integrated circuits (IC). This work focuses on EMC susceptibility for microcontrollers, that is the ability of a microcontroller to work correctly in a disturbed electromagnetic environment. Microcontrollers are employed in many different applications requiring different levels of immunity for different kind of stresses. This research work studies the susceptibility of standard STM32 microcontrollers against electrical fast transient events as defined by IEC 61000-4-4 standard for Fast Transient Burst (FTB). FTB test consists of injecting high voltage and repetitive spikes on the supply of the electronic devices. Studying the device behavior under stress condition and analyzing the failure mechanisms give important hints related to its immunity threshold. Some high-level system strategies have been proposed to improve the robustness of an electronic equipment to electrical fast events but few studies are dedicated to ICs or packages protection solutions. This works starts from the hypotheses of the resonances of the power distribution network (PDN) of the microcontroller being correlated with FTB immunity thresholds. As a consequence, some modelling and measuring techniques are presented to find the resonances in a specific Device Under Test (or DUT) composed of a Printed Circuit Board (PCB), a die package and a silicon die. Finally, the methodology is applied to some DUT configurations to show the correlation between the resonance characteristics of the PDN and the FTB immunity levels. This work opens up the possibility of using resonance analysis in the study of the influence of different design choices on EMC susceptibility such as package and die size and thus it gives a interesting predictive tool to be used during the design phase of a microcontroller.