CO M I T É N A T I O N A L F RANÇAIS DE RA D I O É L E C T R I C I T É SCIENTIFIQUE METHODE INVERSE POUR EXTRAIRE LE MODELE DE COURANT ICEM PAR MESURE CHAMP PROCHE Cristian AVRAM *, Marc MEYER**, Laurent SAISSI***, Junwu TAO * (*): ENSEEIHT, 2 rue Charles Camichel 31000 Toulouse, [email protected] (**): EADS-IW, 18, rue Marius Terce, BP31050, 31300 Toulouse, [email protected] (***): AIRBUS FR, 316 Route de Bayonne, 31060 Toulouse, [email protected] Résumé. L'article présente une méthode inverse pour déterminer le courant de l'activité interne d'une carte PCB, de modèle ICEM connu, à l'aide des mesures en champ proche du champ magnétique émis par un composant représentative de la carte. Des mesures en champ proches sont comparées avec des simulations pour vérifier la précision de l'extraction du courant. Comme particularité de la carte, il n'existe pas de pistes horizontales pour faciliter la mesure des courants véhiculés. La mesure du champ magnétique sera donc effectue au-dessus des capacités. I. INTRODUCTION Il s'agit d'une étude préliminaire sur la distribution du champ H au-dessus d'une capacité de découplage sur une carte PCB dans le but d'optimiser le réseau de découplage pour le filtrage HF dans le cas des microprocesseurs. L'extraction du courant dans la capacité est assurée par une technique de mesure en champ proche. On considère une méthode inverse basée sur la connaissance du modèle ICEM de la carte pour ressortir par la suite le courant d'excitation. (a) II. MODELISATION DU RESEAU Dans un premier temps un modèle du réseau de distribution a été développé. Une bonne extraction du courant d'excitation nécessite que le modèle représente au mieux le circuit réel. La carte est constituée d'un circuit imprimé à 14 couches avec des passages vias en technologie laser et micro-via. Des connecteurs SMA représentant les accès des circuits et des capacités de découplage sont disposés pour faire la mesure. On a opté ici pour un modèle simplifié qui présente toute de même une bonne corrélation avec les données de mesure. L’extraction du modèle s’effectue en deux étapes : premièrement un modèle électrique du réseau de distribution est identifié selon la topologie de la carte ; un procédé d’optimisation est ensuite appliqué afin de corréler au mieux les valeurs mesurées et calculées des parties réelle et imaginaire de l’impédance équivalente du réseau. La figure 1 montre la bonne concordance entre le modèle de réseaux optimisé et les résultats de mesure. (b) Fig.1 – Comparaison des parties réelle (a) et imaginaire (b) entre impédance mesurée (en rouge) et déduite du modèle de réseaux (en bleue) III. MESURE CHAMP PROCHE La grandeur qui nous permettra de déterminer le courant d'excitation au niveau d'un port SMA est le champ magnétique au-dessus de la capacité de découplage correspondante. Tout d'abord, la distribution de chaque composante du champ magnétique est mesurée (Fig.2). L'analyse de ces résultats nous permet de conclure que l'émission parasite due à la capacité est pour l'essentiel contribuée par la composante perpendiculaire (par rapport à la capacité) du champ magnétique. un modèle très simplifié d'un courant ponctuel de valeur Ic, nous pouvons écrire Hy = Ic I sin θ ( sin θ1 − sin θ 2 ) = c 4π h 2π h (1) où θ = θ1 = -θ2 (on mesure l'émission au milieu de la capacité) et h est la hauteur de mesure. Hx Contrairement à la signification de h dans la formule ci-dessus, dans le processus de mesure la hauteur considérée corresponde à la distance entre le bout de la sonde et la surface de la capacité. La valeur mesurée sera donc corrigée par post-traitement de façon qu'elle corresponde à la hauteur du centre de la boucle (Fig.4). Hy Hz Fig.4 – Référence de mesure Fig.2 – Champ magnétique émis par la capacité de découplage (zone de scan 12x18mm², distance entre la sonde et la surface de la capacité de 0,5mm, fréquence 100MHz) IV. EXTRACTION DU CHAMP MAGNETIQUE HORIZONTAL La configuration du système représentée dans la figure 3. z de mesure est y La comparaison entre les valeurs mesurées du champ Hy et celles calculées à l'aide du modèle du réseau de distribution révèlent une bonne corrélation mesuresimulation comme le montre les courbes tracées dans les figures 5-7. Les hauteurs spécifiées dans chaque cas représentent les hauteurs réelles de mesure corrigées par une calibration préalable de la sonde de mesure. Ces valeurs sont ultérieurement utilisées dans le calcul des champs modélisés. On note toute de même un décalage sensible pour la fréquence de résonance. Chaque réseau de distribution investigué présente une fréquence de résonance entre 230 et 420MHz. La résonance du réseau présenté se place à environ 370MHz. x Fig.3 – Système de mesure On considère Hy la composante du champ magnétique responsable de l'émission parasite qu'on mesure. Selon Fig.5 – Comparaison mesure – simulation pour Hy[mA/m] à 0,7mm (bleu continue – simulation, rouge - mesure) Il est donc intéressant de développer une méthode inverse qui pourrait permettre la détermination du courant injecté dans le circuit à partir de la mesure de l'émission en champ magnétique d’un composant connecté à un de ses pins. Evidement, la bonne connaissance du modèle du réseaux de distribution initialement identifié est indispensable ici. Le schéma de la Fig.8 présente une version simplifiée de ce modèle. La relation entre le courant du générateur IA (qui simule le comportement de l'activité interne d'un microprocesseur) et le courant traversant la capacité de découplage IC peut être facilement déduite de la matrice d'impédance d'un quadripôle : Fig.6 – Comparaison mesure – simulation pour Hy[mA/m] à 1mm (bleu continue – simulation, rouge - mesure) Fig.8 – Modèle simplifié de la carte de test Fig.7 – Comparaison mesure – simulation pour Hy[mA/m] à 1,5mm (bleu continue – simulation, rouge - mesure) On observe un petit décalage entre les valeurs calcules à l’aide du modèle et celles mesurées notamment autour de la résonance mais aussi à d’autres fréquences dans la bande étudiée. Une explication possible réside dans la difficulté d’aligner parfaitement les parties réelle et réactive de l’impédance équivalente du réseau, à la fois. où I1 représente le courant d'excitation (au niveau du connecteur SMA), IC est le courant à travers la capacité de découplage, Z1 et Z2 sont les impédance équivalentes des passages via, ZCi est l'impédance de la capacité équivalente interne de la carte (principalement due aux plans de masse et d'alimentation), ZCe l'impédance de la capacité réelle et IA est le courant d'excitation. En utilisant le courant IC(f) déterminé à partir des mesures du champ magnétique on déduit le comportement fréquentiel du courant IA. Une comparaison entre IA mesuré et calculé à partir de la connaissance du générateur et de l'impédance du réseau est montrée dans la Fig.9. Mais on estime que l’aspect le plus contraignant est au niveau du calibrage des sondes. En effet, une petite variation dans la valeur de la hauteur réelle de mesure entraîne une baisse (augmentation) relativement importante du décalage entre le niveau du champ reconstitué par rapport à la mesuré (courbe rouge). IV. METHODE INVERSE Les figures 5-7 montrent que la bonne connaissance du modèle ICEM de la carte PCB nous permet de prédire avec bonne précision l'émission en champ magnétique due à la capacité de découplage. La mesure de cette émission présente une bonne corrélation avec la simulation. Fig.9 – Courant d'excitation calculé à partir des mesures de l'émission parasite (bleu continu – simulation, rouge - mesure) V. CONCLUSIONS La validité de cette méthode a été démontrée sur une carte PCB de construction simple. L'extraction du spectre du courant injecté est immédiate grâce à la connaissance d’un modèle du réseaux de distribution ICEM extrait à l’aide des mesures et optimisations basées sur la structure du substrat et des interconnexions. Ce modèle est certainement perfectible et son fonctionnement dans le domaine des hautes fréquences reste à être vérifié. L'utilisation de cette méthode pour des cas plus complexes est envisagée également avec des défis encore plus contraignants, notamment l'utilisation des microprocesseurs à la place d'un générateur RF et la reconstitution des activités internes de ces derniers . REFERENCES [1] S. Bendhia, M.Rambani, E. Sicard, Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits, Springer, 2006 [2] A. Boyer, C. Labussière, Methodology of Calibration of miniature Near-Field Probes for Quantitative Characterization of IC radiation, ICONIC 2005, UPC Barcelona, Spain [3] K.P. Slattery, J.Neal, W. Cui, Near-Field Measurements of VLSI devices, IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol.41, no.4, pp.374-384, Nov. 1999 [4] IEC62041-3, EMC for components – Part 3: Integrated Circuits Electrical Model (ICEM)