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ICEM et ICIM, deux modèles de CEM
pour les circuit intégrés
Jean-Luc Levant
Senior Expert CEM
Villepinte 2009
October 09 4
Introduction
Pourquoi?
Plan économique
- 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 procheet champ lointain).
- Maîtriser les niveaux d’immunité des cartes et des CI.
(1) Produits : Circuits Intégrés, cartes électroniques, équipements,…
October 09 5
Introduction
Le standard IEC62433
Modèles des circuits intégrés pour la simulation comportementales de l'émission et de la susceptibilité électromagnétique
- IEC62433 - 1 – Définition (CD)
- IEC62433 – 2 - Modélisation des émissions conduites (IS)
- IEC62433 – 3 - Modélisation des émissions rayonnées (NP)
- IEC62433 – 4 - Modélisation de la susceptibilité conduite (NP)
- IEC62433 – 5 - Modélisation de la susceptibilité rayonnée
- IEC62433 – 6 - Modélisation de la susceptibilité aux transitoires rapides
- IEC62433 – 7 – Modélisation de la susceptibilité interne (NP)
October 09 7
Le modèle ICEM-CE
But
IEC62433-2 : 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 8
Le modèle ICEM-CE
Description Quelques blocs suffisent pour décrire les émissions conduites.
- PDN : Passive Distribution Network
- IBC : Internal Blocking component
- IA : Internal Active Source
IC EMC Model
Vdd
Vss
AVdd
AVss
ICEM model
of the
Digital Block
ICEM model
of the
Analog Block
Coupler
ElementIT ITIT IT
PDN
Element
IA
Element
ET[1]
IT[1]
IT[0]
IT[3]
IT[2]
ET[0]
IT[3]
IT[2]
PDN & IA ICEM Elements
PDN
Example
ET[1]
ET[0]
IT[1]
IT[0]
LVddRVdd
RVss LVss CVdd
IA Example
IBC ExampleDigital Block Analog Block
Vdd
Vss
AVdd
AVss
AD[7..0]AD[7..0]
RD/RD/
WR/WR/
ReadyReady
AudioOut
AudioIn
Xtal1
Xtal2
ResetIO
I.C Architecture
PDN
Component
IA
Component
IT[5]
IT[6]
IT[7]
IT[7]
IT[1] IT[3]
IT[0] IT[2]
Internal
Immunity
Model
PLL, ADC...
PDN & IA elements, Internal Immunity Model
October 09 9
Le modèle ICEM-CE
Exemple d’un modèle ICEM-CE complet Linéaire (petits signaux ~ 10% de l’alimentation)
Analog PDN
Element
IOs ICEM
Model
Digital PDN
Element
IOs PDN
Element
Digital IA
Element
Analog IA
Element
IOs IA
Element
ET2 ET3
ET5
IT2
IT1
IT0
IT6
IT5
IT7
IT8
IBC1
IBC0
ET4
IT4
IT3
ET1ET0
Digital ICEM Block
IOs ICEM Block
Analog ICEM BlockICEM Model
Passive Network Distribution
CurA+ CurA-
ZPack
ZDie
Internal Activity Sub-Model
Internal Activity Sub-Model
Kic2122 = 0.49LicVcc21 = 3.98nHLiCVss22 = 3.98nH
Kic5253 = 0.49LicVcc52 = 3.98nHLicVss53 = 3.98nH
KicAVccGNd = 0.41LicAVcc = 3.98nHLicGnd = 3.98nH
RicVcc211.43
RicVcc520.79
RicVss220.85
RicVss530.62
RicGnd
0.47
RicAVcc1.66
CicVcc
3.15nF
CicAVcc388pF
Gnd63
Vcc52
GndAvcc
Gnd22
Vcc21
CurD-CurD+
October 09 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,…
LVcc6RVcc6
RG nd5
LG nD5
LVcc4RVcc4
RG nd3LG nd3
LG nd RG nd
RAvccLA vcc
Gnd
A vcc
G nd3
Vcc4
G nd5
V cc6
R sub
CDecA
CDecD0 .18 0 .18
0 .175 0 .175
2 .56
0 .335
531pF
0 .376
1 .32nF
2 .64nH
2 .2nH
2 .2nH
2 .2nH
2 .2nH
2 .2nH
K c1=0 .5 K c1=0 .5
K c1=0 .091
RDecD1 .05
IC u r+ IC u r-
Gnd3
Gnd3
Vcc4
Vcc6
Avcc
Gnd
October 09 11
Le Modèle ICEM-CE
Exemple d’un modèle ICEM-CE complet
Modèle non linéaire
- Applications : ESD , transitoires rapides
October 09 12
Le Modèle ICEM-CE
Exemple d’utilisation
Analyse de la propagation du bruit de mode conduit: : dégradation de la gigue de fréquence/phase.
PLL
Package
Package
VDD
Die
i=10A
gigue
2.2ns
Bruit de commutation de masse Couplage faible impédance (substrat)
October 09 14
Le modèle ICIM-CI
But
IEC62433-4 : Modélisation de l’immunité conduite
- Pour l’équipementier
- Vérifier le niveau d’immunité conduite au niveau des cartesélectroniques.
- 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 fonctionsélectroniques embarquées.
October 09 15
Le modèle ICIM-CI
Description 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, …
PDN >=?
Immunity Criteria
IBICIM-CI
Pass/FailRF_Dist
-Le comportement de la fonction sensible est perturbée par la perturbation propagée par le chemins de couplage (PDN).
October 09 16
Le modèle ICIM-CI
Exemple Oscillateur à quartz
- Critère de susceptibilté : gigue sur la période
-
+
xtal1
xtal2
Clock treesTrigger
ClkRef
~
Pin(dBm)
Cdpi
~
Vdd
Xtal1
Vss IBPDN
Xtal2
T0 +/- DT
t
Modèle ICIM-CI
ICIM-CI
October 09 17
Le modèle ICIM-CI
Exemple
L’ampficateur audio
- Le modèle
G0
PSRRVss
PSRRVdd
+
-
+
+
+
~
~
~
VbVdd
VbVss
Ve
Modèle fonctionnel
Modèle des Chemins
de couplage
Modèle d'immunité
Vs
Vs=G0.Ve
Vsb=Vs+k1.VbVdd + k2.VbVss
October 09 18
Le modèle ICIM-CI
Exemple L’ampfilicateur audio
- L’analyse de son niveau d’immunité.
- Critère de susceptibilité : niveau de bruit superposé au signal util > 2.8mV.
PSRR1
PSRR0
+
+
+
~
Modèle
fonctionnel
Chemins de couplage
ICIM
Critère
d’immunité
Evaluation
PDN
NumériquePDN
Analogique
IBC
VCC
VCCA
VSSAV
SS
IA
1.66Ω2nH
2nH
0.47Ω
ICEM-CE
Simulation
October 09 19
Le modèle ICIM-CI
Exemple
L’amplificateur audio- Solution correctrice
PDN
NumériquePDN
Analogique
IBC
VCC
VCCA
VSSAV
SS
IA
1.66Ω2nH
2nH
0.47Ω
ICEM-CE
PSRR1
PSRR0
+
+
+
~
Modèle
fonctionnel
Chemins de couplage
ICIM
0 .4Ω
Critère
d’immunité
ICIM-CI
October 09 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.
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10
Frequency (Hz)
Minimum Disturbance Voltage (V)
ICIM-CI
October 09 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 impliquésdans la susceptibilité et d’en déduire la robustesse d’un fonctionsensible vis-à-vis des perturbations.
October 09 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