Méthode inverse pour extraire le modèle de courant

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)