Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La compatibilité magnétique s'applique aujourd'hui également au niveau des circuits et des composants mêmes. Cet article explicite les émissions produites par les circuits intégrés et leur susceptibilité. Il détaille les différentes méthodes de mesure de ces phénomènes, et présente un modèle, appelé ICEM pour Integrated Circuit Electromagnetic Model, permettant de simuler ces phénomènes. Enfin les éléments logiciels défensif, qui augmentent la robustesse du système, sont présentés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Mohamed RAMDANI : Docteur de l’université Paul-Sabatier de Toulouse - Enseignant-Chercheur à l’École supérieure d’électronique de l’Ouest à Angers Membre de l’UTE
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Étienne SICARD : Professeur à l’INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Concours scientifique CEM composants à EADS-Corporate Research Center
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Sonia BENDHIA : Ingénieur INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Maître de conférence à l’INSA de Toulouse
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Sébastien CALVET : Ingénieur INSA Toulouse, Physique des matériaux - microélectronique - Doctorant CIFRE à Motorola et au LESIA
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Stéphane BAFFREAU : Docteur en conception des circuits microélectroniques et microsystèmes
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Jean-Luc LEVANT : Expert technique analogique et CEM des circuits intégrés Atmel, Nantes - Membre de l’UTE
INTRODUCTION
La directive européenne définit la compatibilité électromagnétique (CEM) comme étant :
« L’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement ».
Depuis une dizaine d’années, les circuits intégrés et plus particulièrement le composant rejoignent les appareils et les systèmes dans le domaine de la CEM.
En effet, l’apparition des nouvelles matrices de portes logiques à haute densité (plusieurs centaines de milliers de portes à plusieurs millions de portes), les nouvelles technologies (0,25 µm, 0,18 µm, 0,12 µm et bientôt moins de 90 nm) et les méthodes de conception haut niveau de type SOC (System On Chip), autorisent une forte intégration de fonctions complexes et rapides tels que processeurs de signaux numériques spécialisés, chaînes de traitement de signal, séquenceurs complexes d’algorithme de télécommunications, etc. Cela ne reste pas sans conséquences : la commutation simultanée de milliers de bascules, des variations rapides de courant sur les différents rails d’alimentation, des variations de potentiel sur les alimentations internes et externes qui peuvent être de l’ordre de grandeur des seuils logiques des portes. On entre de plain-pied dans le domaine de la compatibilité électromagnétique des circuits intégrés.
Dans cet article, on tentera d’expliquer l’origine des phénomènes majeurs qui ont lieu dans un circuit intégré, à savoir l’émission (conduite et rayonnée) et la susceptibilité. Les méthodes de mesure aussi bien pour l’émission que la susceptibilité seront décrites. On présentera le modèle permettant de simuler, voire prédire, l’émission des circuits intégrés, appelé ICEM (Integrated Circuit Electromagnetic Model), actuellement en cours de normalisation. Enfin, on décrira l’approche de logiciel « défensif », ensemble de techniques utilisées pour renforcer la robustesse d’un système.
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Méthodes de mesure CEM des circuits intégrés4. Origines des émissions parasites des circuits intégrés
4.1 Origine des perturbations
Dans le secteur de l’électronique embarquée, à application automobile ou aéronautique, les besoins en puissance de calcul nécessitent l’utilisation de processeurs de plus en plus complexes et puissants. L’utilisation de microcontrôleurs 32 bits, cadencés à 500 MHz, intégrant des protocoles de communication de haute performance tend à se généraliser. L’augmentation de la puissance de calcul et du débit de communication s’accompagne de multiples problèmes d’intégrité de signal. Les processeurs, essentiellement synchrones, se comportent en commutateurs de courants internes pouvant atteindre des valeurs considérables (plusieurs ampères par nanoseconde), dont les conséquences peuvent être le parasitage de certaines bandes de fréquence, pouvant altérer les communications RF, voire les systèmes de sécurité, par couplage conduit ou rayonné comme l’illustre la figure 10. Il est primordial de ne pas parasiter des bandes de fréquence telles que celles aux alentours de 100 MHz (radio FM), de 430 MHz (communications radio locale) et de 900 MHz et 1 800 MHz (téléphonie mobile).
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L’origine des émissions parasites est principalement due au courant consommé lors de l’activation de chaque porte du circuit intégré.
Prenons l’exemple d’un inverseur CMOS (voir figure 4) : lors du passage de sa sortie du niveau logique bas au niveau logique haut, un courant I DD véhiculé par l’alimentation V DD du circuit charge la capacité en sortie de l’inverseur. Inversement, lors du passage de la sortie du niveau logique haut au niveau logique bas, la capacité en sortie de l’inverseur décharge un courant ISS dans la masse.
La variation d’amplitude brutale et rapide du courant traversant les rails d’alimentation provoque d’importantes fluctuations de la tension d’alimentation à cause de l’inductance parasite des pistes du circuit intégré, des fils de soudure « bonding » connectant la puce à son boîtier, des broches « lead »...
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Origines des émissions parasites des circuits intégrés
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PFAFF (W.R.) - Application independent evaluation of electromagnetic emission for Ics by the measurement of conducted signal. - Proceedings of the IEEE International Symposium on EMC, p. 219-224 (1998).
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(2) - FIORI (F.), PIGNARI (S.) - Analysis of a test set-up for the characterization of IC electromagnetic emission. - Proceedings of the IEEE EMC Symposium, p. 375-378 (2000).
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(3) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Investigations of the theoretical basis for using a 1 GHz TEM cell to evaluate the radiated emissions from integrated circuits. - In Proceedings of the IEEE international Symposium on Electromagnetic Compatibility, p. 63-67 (1996).
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(4) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Characterization of the RF emissions from a family of microprocessors using a 1 GHz TEM cell. - In Proceedings of the IEEE EMC Symposium, Austin (1997).
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(5) - * - International Electro-technical Commission IEC 61967 : Integrated Circuits, Measurements of Conducted and Radiated Electromagnetic Emission, IEC standard (1999).
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