Modélisation l’immunité électromagnétique des composants en vue de la gestion de l’obsolescence des systèmes et modules électroniques.

par Mohammed Amellal

Thèse de doctorat en Electronique et Télécommunications

Sous la direction de M'hamed Drissi et de Ali Ahaitouf.

Soutenue le 14-12-2015

à Rennes, INSA en cotutelle avec l'Université Sidi Mohamed ben Abdellah (Fès, Maroc) , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (COMUE) , Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes / IETR (laboratoire) et de Ecole Supérieure d'Electronique de l'Ouest / ESEO (laboratoire) .


  • Résumé

    Dos nos jours, l'évolution croissante des domaines d'application des circuits intégrés impose aux industriels de nouvelles contraintes de conception. Afin de réaliser des circuits électroniques plus denses et plus performants, ils cherchent à faire cohabiter plusieurs types de composants sur des surfaces plus petites et de surcroît, fonctionnant à des fréquences de plus en plus élevées. Cependant, cette cohabitation pourrait générer des problèmes de CEM (compatibilité électromagnétique). Les travaux présentés dans ce mémoire rentrent dans le cadre du projet de recherche SEISME (Simulation de l'Emission et de l'Immunité des Systèmes et Modules Electroniques). Ils décrivent des méthodologies de mesure et de modélisation de’immunité conduite des circuits intégrés complexes comme les mémoires non volatiles ou bien les microcontrôleurs. L'objectif est d'étudier l'influence des changements de composants et de cartes sur le comportement électromagnétique d'un système électronique. Dans cette perspective, afin de valider son utilisation dans le cas des circuits intégrés complexes, une étude détaillée du standard de mesure DPI (Direct Power injection) est d'abord proposée. Basé sur cette dernière, un nouveau prototype de chemin de couplage est réalisé. Ce multiplexeur permet de superposer un signal agresseur à un signal fonctionnel, avec un chevauchement de leurs bandes de fréquences. Ainsi, il est possible d'agresser une broche fonctionnelle (horloge par exemple) d'un circuit intégré pendant son fonctionnement. Ensuite, une procédure de mesure globale d'immunité conduite est présentée. Elle permet de caractériser la susceptibilité conduite des circuits complexes en tenant compte des différents modes de fonctionnement et avec la possibilité d’utiliser un critère d’immunité fonctionnel ou électrique. Grâce à l'application de cette procédure à deux mémoires non volatiles compatibles broche à broche (mêmes caractéristiques mais de deux différents fournisseurs), il est possible de constater l’influence des technologies de fabrication sur l’immunité conduite de ce type de circuits. Par conséquent, l’effet du changement de composant sur le comportement électromagnétique d’un système électronique devient prédictible. Enfin pour la modélisation, deux méthodologies sont proposées. Une au niveau composant et l'autre au niveau carte. La démarche de modélisation au niveau composant repose sur le standard ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model-Conducted Immunity) et vise à générer un modèle d’immunité simulable et prédictif. Grâce à l'application de cette démarche dans le contexte des mémoires non volatiles, il est possible de prédire leur immunité dans le cas de modification de l’impédance d'entrée par rajout d'éléments de filtrage par exemple. En ce qui concerne la modélisation au niveau carte, une procédure basée sur la proposition de modèle EBIM-CI (Electronic Board Immunity Model-Conducted Immunity) est développée. Elle consiste à générer un modèle d’immunité d’une carte électronique en utilisant les modèles des différents composants qui la constituent. Un cas d’étude a été défini. Le modèle issu de cette approche permet de simuler l’immunité conduite globale du démonstrateur ainsi que de prédire le comportement électromagnétique de ce dernier lors du changement d’un ou plusieurs composants.

  • Titre traduit

    Electromagnetic immunity modeling of components for the obsolescence management of systems and electronic modules


  • Résumé

    Nowadays, the growing evolution of application fields for integrated circuits sets new constraints for designers and manufacturers. Due to continuous technological advances in integrated circuits, those have become smaller, denser and operational at higher frequencies. The miniaturization of integrated circuits has led to the reduction of power consumption and, thus, noise margins. Mixing digital and analog functions inside the same chip also makes electromagnetic interferences (EMis) more likely to spread and cause disturbances. As a result, complex ICs with coexisting different functions represent a challenge from an EMC point of view, as interferences can cause critical functional failures. The work presented in this manuscript falls within the SEISME project which aims, among others, to perform the simulation of both the emission and the immunity of electronic systems and modules at different levels (JC, PCB, equipment, system). More precisely, this work deals with the development of measurement and modeling methodologies for the characterization of the conducted immunity of complex ICs, such as microcontrollers and non-volatile memories. The main goal is to study the effect of component and/or board replacement on the electromagnetic behavior of a complete electronic system. In this context, a thorough study of the Direct Power Injection (DPI) technique is presented, thus validating its use for complex integrated circuits. Based on this study, a new prototype for the disturbance coupling path is proposed. It consists of a multiplexer that enables the superposition of a disturbance signal and a functional one with overlapping frequency bands. Therefore, it is possible to disturb an IC functional pin (a clock for instance) during its operation. Moreover, measurement procedure for conducted immunity is introduced. Its advantage is to make it possible to characterize the immunity of complex ICs by taking into account different operation modes as well as flexible immunity criteria (electrical / functional). Thanks to the application of this methodology for two different, non-volatile, pin-to-pin-compatible memories (having the same characteristics but different manufacturers), the influence of fabrication technology on the conducted immunity of such ICs is better identified and understood. As a consequence, the effect of changing components on the electromagnetic behavior of an electronic system has become predictable. As far as modeling aspects are concerned, two methodologies are presented in this manuscript. The first one deals with the immunity at the component level whereas the other involves board level immunity. At the IC level, the modeling approach is rather based on the ICIM-CI (lntegrated Circuit Immunity Model-Conducted Immunity) draft standard which makes it possible to extract simulation models that can be incorporated within IC design flows. Once applied to the context of non-volatile memories, this approach allows predicting their immunity in the case of modified input impedance, for example. As far as immunity modeling at the board level is concerned, the idea is to make use of ICIM-CI models corresponding to different ICs on the PCB in order to construct an Electronic Board Immunity Model for Conducted Immunity (EBIM-CI). A case study has been defined and the extracted model makes it possible to simulate the demonstrator's global conducted immunity as well as to predict its electromagnetic behavior following the replacement of one or more components.


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