CEM des Circuits Intégrés

CEM des
Circuits
Intégrés
Bureau d’étude –
Développement d’un
modèle ICEM d’un
microcontrôleur
Alexandre Boyer, Etienne Sicard
ENSEEIHT
Département Electronique et Génie Electrique par la voie de
l'Apprentissage
Octobre 2013
I. Enoncé du projet
Le dsPIC 33F est un microcontrôleur 16 bits dédié à des applications de traitement de signal. Les
caractéristiques de ce composant sont données de l’annexe A. Ce composant va être utilisé pour
diverses applications embarquées. Afin d’assurer leur sûreté de fonctionnement, ce composant doit
présenter des niveaux d’émission électromagnétique réduits. Vos clients sont de plus en plus
demandeurs de modèles ICEM de circuits intégrés, leur permettant d’anticiper par simulation le
niveau d’émission conduite ou rayonnée de leur application (schéma du processus de simulation du
client utilisant ICEM) et de valider ou modifier la conception de leur application (placement-routage,
découplage, filtrage, choix de composants).
Votre mission est de développer un modèle ICEM du dsPIC 33F. Celui-ci doit être permettre une
simulation de l’émission conduite entre 1 MHz et 1 GHz. Ce modèle doit être un schéma électrique
compatible SPICE (WinSPICE).
Pour créer votre modèle, vous disposez d’un ensemble de mesures effectuées par votre laboratoire
CEM. L’annexe C fournit les détails de chaque mesure. Votre modèle doit valider les mesures
suivantes :




Mesures d’impédance entre les broches d’alimentation du composant
Mesures d’impédance du plan d’alimentation de la carte de test
Mesures de courant (sonde 1 ohm) dans différents modes de fonctionnement
Mesure de la forme temporelle du signal en sortie d’un pad d’I/O
Les logiciels IC-EMC et WinSPICE seront utilisés pour les différentes étapes de construction du
modèle. A l’issue du projet, on vous demande de :


2
fournir les schématiques décrivant le modèle ICEM du composant
fournir un rapport détaillant la construction des modèles, les validant et donnant leur
précision
II. Annexe A – Données sur le dsPIC 33F
Le dsPIC est un microcontrôleur 16 bits, dédié au traitement de signal. Il existe en différentes
versions de boîtier, celui que vous allez utiliser est monté dans un boîtier QFP 64 (version
dsPIC33FJ128GP706). Ce microcontrôleur embarque un grand nombre de périphériques, que nous ne
détaillerons pas ici. L’horloge système est limitée à 40 MHz. Dans notre application, celle-ci sera
produite par un oscillateur interne. La tension d’alimentation nominale du composant est de 3.3 V.
Celle-ci est fournie aux différents blocs par plusieurs paires d’alimentation :

4 broches Vdd et 3 broches Vss dédiées à l’alimentation des pads d’I/O et des blocs digitaux
internes du microcontrôleur
AVdd/AVss dédiée à l’alimentation des blocs analogiques


Brochage du circuit
Configuration du composant lors des mesures CEM
Lors des mesures CEM effectuées sur le composant, celui-ci était dans la configuration suivante :


3
L’horloge système est fixée à 20 MHz, elle est produite par l’oscillateur et la PLL interne qui
fonctionne à 40 MHz.
Le programme embarqué dans le microcontrôleur permet soit de n’activer aucun pad
d’entrée-sortie (activité minimale), soit activer un pad d’entrée-sortie (pad RB0), soit
d’activer simultanément 16 pads d’entrée-sortie (pads RB0 à RB15). La fréquence de
commutation des pads d’entrée-sortie est de 5.7 MHz.
Annexe B – Données sur le circuit imprimé
La carte de circuit imprimé construite pour réaliser les différentes mesures pour la construction du
modèle ICEM présente les dimensions suivantes : 100 × 100 mm (photo ci-dessous). Elle est
construite en FR4 6 couches. Ci-dessous, une description de l’empilement des 6 couches. Le dsPIC est
monté sur la face TOP de la carte.
Top layer (1)
Couches
Signaux
Type
(1) – Top
Ground
Signal
Diélectrique
(2)
Diélectrique
(3) - GND
Diélectrique
(4) POWER
Diélectrique
(5)
Diélectrique
(6)
BOTTOM
FR4
Signal
Cuivre
FR4
Ground
Cuivre
FR4
Vdd_3.3V
Cuivre
FR4
Signal
Cuivre
FR4
Signal
+ Cuivre
Ground
+
Cuivre
Bottom layer (6)
Epaisseur
(mm)
0.035
Conductivité
/ Constante
tangente de pertes diélectrique
57 ×106 S / _
_
0.21
0.018
0.36
0.018
0.2
0.018
0.36
0.018
0.21
0.035
_ / 0.02
57 ×106 S / _
_ / 0.02
57 ×106 S / _
_ / 0.02
57 ×106 S / _
_ / 0.02
57 ×106 S / _
_ / 0.02
57 ×106 S / _
4.5
_
4.5
_
4.5
_
4.5
_
4.5
_
Schématique de la carte :
La figure ci-dessous détaille le schéma électrique de la carte de test sur laquelle est montée le dsPIC
33F et sont réalisées les essais CEM. Une mémoire externe SRAM est connectée au microcontrôleur.
Celle-ci n’est pas active lors des essais CEM. Tous ces pads d’I/O sont configurés en entrée et servent
de charge pour les pads d’I/O du microcontrôleur. La capacité d’entrée d’un pad d’I/O de la mémoire
est de 10 pF. Les pistes connectant les entrées des mémoires au sortie du microcontrôleur sont de
4
type ligne microruban, de largeur égale à 0.6 mm et placée à 0.6 mm du plan de masse. On pourra
supposer que la charge connectée à chaque pad de sortie du microcontrôleur est de l’ordre de 20 pF.
Lors des tests, l’alimentation 3.3 V a été directement fournie par le connecteur J1 qui permet l’accès
direct au plan d’alimentation Vdd_3.3V. Des mesures à l’analyseur de réseau pour caractériser
l’impédance de ce plan d’alimentation ont été effectuées depuis ce connecteur.
Quatre condensateurs céramiques de découplage de 100 nF sont montés entre les plans Vdd_3.3V et
le plan de masse GND. Elles sont de type X7R 50 V, tolérance de 10 %, montées en boîtier 0603. Le
fabricant donne une valeur de résistance série ESR de 70 mΩ et d’inductance série ESL de 1.5 nH.
Le connecteur J2 est placé en parallèle d’une résistance de 1 Ω, connectée à l’ensemble des broches
Vss du microcontrôleur. La tension à ses bornes est proportionnelle au courant sortant par les
broches Vss du dsPIC 33F et permet de caractériser l’émission conduite.
J1 - Direct access to
Vdd_3.3V plane
Pad D0
SRAM
Memory
Microcontroller
dsPIC 33F
J2 - dsPIC
1 Ω probe
5
III.Annexe C – Détails des mesures effectuées
1. Mesures d’impédance de la carte
Des mesures d’impédance ont été effectuées depuis le connecteur J1 Vdd_3.3V. Celles-ci permettent
d’extraire le profil d’impédance du plan d’alimentation Vdd_3.3V. Deux résultats de mesure vous
sont fournis :


z11vdd3v3_board-nu.s1p : board nu, aucun composant monté sur la carte
z11vdd3v3_board-monte.s1p : board monté, microcontrôleur et 4 condensateurs de 100 nF
montés
Les fichiers peuvent être importés dans l’outil S parameters vs. freq
d’IC-EMC.
2. Mesure d’impédance du dsPIC33F
Des mesures d’impédance ont été effectuées directement entre les broches Vdd et Vss du
microcontrôleur pour extraire le profil d’impédance du réseau de distribution d’alimentation interne
du composant. Les mesures se font entre une broche Vdd et une broche Vss. Les mesures faites
entre les différents couples de broches Vdd/Vss fournissent des résultats quasi identiques. Un seul
résultat de mesure vous est fourni : z11-dspic-vdd10vss9.s1p. Ce fichier peut être importé dans l’outil
S parameters vs. freq
d’IC-EMC.
3. Fichier IBIS
Le fichier IBIS fourni par le constructeur s’appelle dsPIC33FJ128GP706_v2.ibs. Il contient des
informations permettant la création de modèle équivalent des buffers d’entrée et de sortie. Vous
pouvez l’éditer à partir du menu File > Load Ibis file
.
Un modèle équivalent du buffer de sortie de type dspic02 vous est proposé : model_out_dspic02.sch.
4. Profil temporel des signaux de sortie
Une mesure temporelle du signal de sortie du pad RB0 a été effectuée. La mesure se trouve dans le
fichier DSPIC_ADDR0_VofT.tran. Vous pouvez visualiser ce résultat à l’aide de l’outil Voltage vs.
Time
.
5. Mesures 1 ohm
Des mesures aux bornes de la résistance 1 Ω (connecteur J2) ont été effectuées dans le domaine
fréquentiel (à l’analyseur de spectre) et dans le domaine temporel (à l’oscilloscope) dans 3
configurations différentes :



6
Activité minimale
Activité minimale + activation 1 I/O (pad RB0)
Activité minimale + activation 16 I/O (pads RB0 à RB15)