ICEM et ICIM, deux modèles de CEM

pour les circuit intégrés

Jean-Luc Levant

Senior Expert CEM

Villepinte 2009

October 09 2

Sommaire

Introduction

Le modèle ICEM-CE

Le modèle ICIM-CI

Conclusions

October 09 3

Introduction

• Pourquoi des modèles?• Présentation du standard IEC62433

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 6

Le modèle ICEM-CE

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 13

Le modèle ICIM-CIIntegrated Circuit Immunity Model – Conducted Immunity

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