Caractérisation en courant des structures inductives réalisées

Pour finaliser la caractérisation des inductances intégrées, nous avons cherché à déterminer leur tenue en courant. Pour cela, nous avons inséré ces inductances intégrées dans une structure Buck dont les spécifications sont compatibles avec une application de téléphonie portable.

III-1. Description du montage

Nous avons utilisé un montage Buck, développé par Stéphane Petibon et le service technique « Conception et caractérisation des convertisseurs de puissance » géré par Lionel Séguier. Cette structure est basée sur une cellule de commutation NCP 1509 de chez On Semiconductor [141]. Elle est prévue pour convertir une tension d’entrée de 3,3V en une tension de sortie régulée de 1V, avec un courant de sortie maximum de 500mA. La fréquence de commutation utilisée est de 1 MHz (Figure 4.71). Inductance du commerce de 6,8 µH 3,3 V 10 µF ^Charge L _RL Composant intégré On Semiconductor NCP 1030 Low Power PWM Controller with On- Chip Power Switch and Startup Circuits for

48V Telecom Systems On Semiconductor NCP 1509 Up to 500 mA, 1 MHz, High Efficiency Synchronous Step- Down DC- DC FB

Figure 4.71. Structure Buck utilisée pour la caractérisation en courant des inductances intégrées

A cette fréquence, et à la vue du rapport cyclique imposé par la tension d’entrée et de sortie, nos valeurs d’inductances sont trop faibles pour pouvoir tester plusieurs gammes de courant de sortie sans entrer en régime de conduction discontinue (notamment en régime de faible charge). Nous avons donc suivi les propositions de conception contenues dans le data-sheet de la cellule de commutation et conseillant l’utilisation d’une inductance de lissage de 6,8µH. En ajoutant cette dernière en série à nos inductances intégrées, nous pouvons ajuster la valeur moyenne du courant de sortie tout en restant en régime de conduction continue. Les mesures ont été réalisées avec un courant de sortie de 100 mA, 300 mA et 500 mA. Une comparaison avec des résultats de simulation sous PSIM est également présentée.

III-2. Inductance spirale 2,5 µH & 16,6 ohms - Mesures avec un courant de sortie de 100 mA

Nous avons commencé par tester les composants présentant la plus forte valeur d’inductance, 2,5µH. Ce composant, constitué d’un conducteur de 15 µm de large et d’épaisseur bobiné sur 40 tours, est le plus résistif réalisé. Les simulations, reprenant le schéma de la figure 4.71, nous ont tout d’abord indiqué que pour un courant de sortie de 100 mA, le convertisseur restait en conduction continue (Figure 4.72.a). Ensuite, le tracé de la tension aux bornes de l’inductance intégrée VL met en évidence la forte résistance série. Les mesures à l’oscilloscope (Figure 4.72.b), montrent les mêmes formes d’ondes qu’en simulation.

a) b) Figure 4.72. Signaux aux bornes de l’inductance intégrée

a) Simulation, b) Mesure

Le Tableau IV.3 montre que les mesures expérimentales concordent avec les prévisions obtenues en simulation. Dans les deux cas, nous obtenons une tension de sortie régulée de 1V, donnée par des rapports cycliques comparables. Ceux-ci sont supérieurs à 0,5 pour compenser la chute de tension aux bornes de la résistance série du composant intégré. Le courant moyen en sortie est de 100 mA, fixé par une charge de 10 ohms. Par ailleurs, la mesure de l’ondulation de ce même courant de sortie est proche de la valeur simulée. Fréquence de commutation : 1 MHz Simulation Mesure V_in=3,5V – I_out=100mA Tension de sortie (V) 1 1,032

Courant moyen (A) 0,1 0,106

∆I_L (A) 0,063 0,048

Rapport Cyclique 0,77 0,85

Tableau IV.3. Contraintes électriques supportées par l’inductance intégrée de 2,5µH

Les tests menés avec des courants supérieurs à 100 mA entraînent la casse du composant.

III-3. Inductance spirale 160 nH & 3,3 ohms

Nous avons continué en testant des composants de plus faible valeur d’inductance, 160nH. Ce dernier, constitué d’un conducteur de 15µm de large et d’épaisseur bobiné sur 5 tours, présente une résistance série de 3,3 ohms. Les trois étapes de mesures suivantes ont été réalisées avec le même composant.

III-3-1. Formes d’ondes

- Courant de sortie de 100mA

Les simulations, reprenant le schéma de la figure 4.71, nous ont tout d’abord indiqué que pour un courant de sortie de 100 mA, le convertisseur restait en conduction continue (Figure 4.73.a). Les mesures à l’oscilloscope (Figure 4.73.b), montrent les mêmes formes d’ondes qu’en simulation. Notamment, la forme d’onde de la tension aux bornes de l’inductance intégrée fait clairement apparaître l’influence de la résistance série et les di/dt. Cette forme d’onde correspond à celle décrite au chapitre I dans le cas d’une résistance série non négligeable.

Vout IL VL α Vout IL VL α

a) b) Figure 4.73. Signaux aux bornes de l’inductance intégrée

a) Simulation, b) Mesure

- Courant de sortie de 300 mA

La même démarche a été conduite pour caractériser l’inductance avec un courant fixé à 300 mA par une charge résistive de 3,3 ohms.

Les simulations, réalisées reprenant le schéma de la figure 4.71, indiquent que pour un courant de sortie de 300 mA, le convertisseur reste en conduction continue (Figure 4.74.a). Les mesures à l’oscilloscope (Figure 4.74.b), montrent les mêmes formes d’ondes qu’en simulation. Comme précédemment, la forme d’onde de la tension aux bornes de l’inductance laisse apparaître une partie proportionnelle au courant IL ainsi que les di/dt.

a) b)

Figure 4.74. Signaux aux bornes de l’inductance intégrée a) Simulation, b) Mesure

- Courant de sortie de 500 mA

Finalement, nous avons caractérisé cette inductance avec un courant de sortie de 500mA fixé par une charge résistive de 2 ohms.

Les simulations avec PSIM, reprenant le schéma de la figure 4.71, indiquent que pour un courant de sortie de 300 mA, le convertisseur reste en conduction continue (Figure 4.75.a). Les mesures à l’oscilloscope (Figure 4.75.b), montrent les mêmes formes d’ondes qu’en simulation. Ici, il est à noter que la tension d’entrée a du être élevée à 5V afin d’éviter que le rapport cyclique n’entre en butée. En effet, avec ce courant de sortie, la chute de tension due à la résistance série du composant intégrée devient trop importante pour que le régulateur puisse maintenir 1V en sortie.

Vout IL VL α Vout IL VL α Vout IL VL α Vout IL VL α

a) b) Figure 4.75. Signaux aux bornes de l’inductance intégrée

a) Simulation, b) Mesure