III.1. Etude du couplage puce à puce dans un système électronique
III.1.2. Etude du couplage entre deux circuits intégrés
L’étude du couplage entre deux circuits intégrés se fait suivant les cinq étapes suivantes : 1. Conception des cartes de test CEM : cette étape consiste à réaliser deux cartes de test,
l’une comportant le circuit agresseur et l’autre la victime ;
2. Etude de la susceptibilité de la victime : cette étape permet d’obtenir la courbe d’immunité champ proche de la victime ;
3. Etude de l’émission de l’agresseur : cette étape sert à caractériser l’émission rayonnée en champ proche de la source de perturbation ;
4. Rapprochement des deux composants : cette étape permet d’évaluer l’impact du rapprochement des deux circuits intégrés ;
5. Modélisation du rapprochement. : cette étape est indispensable pour faire la prédiction lors de la conception.
Nous ne décrivons ici que les deux dernières étapes de cette étude, c'est-à-dire la mesure du couplage et sa modélisation.
III.1.2.1. Mesure du couplage entre deux circuits intégrés
La mesure du couplage entre deux circuits se fait en trois étapes :
• Mesure de l’émission rayonnée champ proche de l’agresseur ; Cette mesure est faite en déplaçant une sonde champ proche au dessus du composant. La sonde est branchée sur un analyseur de spectre ou un oscilloscope.
• Mesure de l’immunité champ proche de la victime ; Cette mesure est faite en déplaçant la sonde champ proche au dessus du composant. La sonde est alimentée par un générateur de signal. Elle sert de source d’agression électromagnétique. Le comportement du composant sous test est contrôlé par un oscilloscope par exemple.
• Mesure du couplage entre l’agresseur et la victime.
On suppose dans ce cas que l’émission et la susceptibilité de nos deux circuits sont mesurées.
Pour faire une mesure du couplage entre deux puces ou circuits intégrés, il faut contrôler leurs modes de fonctionnement, leurs positions et pouvoir s'assurer de leur bon fonctionnement (en particulier pour la victime).
Circuit agresseur Circuit victime Système de positionnement Consignes + mesures Consignes y z x
Figure III–2 : Description d’une mesure de couplage entre deux composants.
La Figure III–2 décrit le protocole de mesure de couplage entre deux circuits. Les consignes permettent de contrôler le mode de fonctionnement de chacun des circuits. Les mesures permettent de surveiller l’état de la victime. Grâce à un système de positionnement de carte, la position relative d'un circuit par rapport à l’autre est possible. Pour une altitude donnée, la position d’un circuit par rapport à l’autre se fait dans le plan xy.
Lors de cette mesure, les consignes son données à l’agresseur par une alimentation et/ou un générateur de signaux. Ces consignes peuvent également être données par un ordinateur lorsque le circuit agresseur le permet. Elles permettent de modifier le mode de fonctionnement de l’agresseur en contrôlant sa fréquence de fonctionnement et l’amplitude de son signal perturbateur. Le comportement du circuit intégré victime est contrôlé en permanence par un appareil de mesure. Un critère de susceptibilité permet à l’appareil de mesure de signaler un dysfonctionnement lorsqu’il survient. En lui programmant un gabarit, un oscilloscope permet de surveiller l’amplitude d’un signal, son déphasage ou encore ses shifts en fréquence. En fixant l’amplitude d’une fréquence, l’analyseur de spectre permet de surveiller le bruit dans une bande de fréquence spécifique. D’autres paramètres comme la position de l’agresseur par rapport à la victime peuvent être modifiés pendant la mesure afin d’investiguer l’ensemble des conditions. Chaque étape de cette mesure doit se faire à un moment spécifique. La Figure III–3 décrit l’ordre des étapes lors d’une mesure du couplage entre deux composants.
Initialisation de la mesure Configuration de l’agresseur Configuration du critère de susceptibilité Enregistrement du résultat Analyse de la victime
Figure III–3 : Illustration des étapes de la mesure du couplage entre deux circuits intégrés.
La première étape est l’initialisation de l’ensemble de la mesure. Ensuite, on configure le critère de susceptibilité de la victime. Puis on configure le mode de fonctionnement de l’agresseur. On analyse le comportement de la victime afin de comprendre l’effet de l’agresseur sur cette dernière. Enfin, on enregistre le résultat observé. Après enregistrement du résultat, on change la configuration ou la position de l’agresseur puis on refait les étapes suivantes. La mesure s’arrête lorsque toutes les conditions souhaitées ont été mesurées.
III.1.2.2. Modélisation du couplage du couplage entre deux circuits intégrés
Le principe et les précautions à prendre pour comparer les niveaux d’émission de l’agresseur et de susceptibilité de la victime ont été exposés. La Figure III–4 décrit le flot de simulation proposé pour réaliser cette comparaison.
Champ rayonné en un point (x,y,z) (dBA/m)
Somme des niveaux d’émission pondéés
Vérification du critère d’interférence
Seuil de susceptibilité rayonnée (dBm)
Seuil de susceptibilité rayonnée (dBA/m) Mesure de l’émission de l’agresseur Modèle d’émission de l’agresseur Modèle de susceptibilité de la victime Mesure de susceptibilité de la victime
Figure III–4 : Flot de simulation de l’apparition de défaillance dûe au rapprochement entre 2 circuits [BOYE07a].
Il est nécessaire de disposer soit d’un ensemble de cartographies de l’émission en champ proche, soit d’un modèle prédictif de l’émission champ proche de l’agresseur. Comme il est nécessaire de connaître le champ rayonné par l’agresseur en chaque point de la victime, il est plus simple de disposer d’un modèle prédictif. L’émission et la susceptibilité doivent être converties en champ pour être comparables. On calcule ensuite le spectre d’émission pondérée au seuil de susceptibilité, on somme ensuite les contributions des différentes harmoniques. Si le critère d’interférence est supérieur à 1, alors l'émission parasite de l’agresseur risque fortement d'être à l’origine d’une défaillance de la victime. Il est donc nécessaire de modifier le positionnement du circuit agresseur par rapport au circuit victime jusqu’à trouver un critère d’interférence inférieur à 1.
III.1.2.3. limites de la mesure du couplage puce à puce
La mesure du couplage entre deux circuits intégrés nécessite plusieurs étapes. Chacune de ces étapes présentent des avantages et des inconvénients. Cette technique permet de bien connaître l’émission et la susceptibilité des deux circuits intégrés avant de les coupler. Elle permet aussi de rapprocher les deux composants réels. Cependant, cette technique demande un temps de mis en œuvre relativement important et donc un coût financier associé grand. De plus il est nécessaire de maîtriser parfaitement la position de chaque circuit vis-à-vis de l’autre compte tenu de la taille des cartes de test. Les étapes nécessaires à la mesure du couplage puce à puce sont les suivantes :
1. Conception des cartes de test CEM : le principal inconvénient est essentiellement lié à la durée et au coût de développement de chaque carte de test ;
2. Etude de la susceptibilité de la victime : Cette étude nécessite un temps de mise en œuvre et de réalisation, elle aussi demande du temps. Cette étude peut être optimisée ou bien supprimée des étapes de la mesure ;
3. Etude de l’émission de l’agresseur : cette étape ne présente pas la possibilité d'être optimisée plus qu'elle ne l'est. Si l’on souhaite coupler directement les deux circuits intégrés, cette étape peut être supprimée.
4. Rapprochement des deux composants : pour une bonne mesure de couplage, la position de chaque composant par rapport à l’autre doit être parfaitement maîtrisée. Cependant, la taille des composants par rapport à la carte de test ne permet pas un bon contrôle de la position des deux composants. Cette mesure est très fastidieuse ;
5. Modélisation du rapprochement. : la modélisation du couplage entre la victime et l’agresseur ne nécessite pas d’optimisation, elle est bien maîtrisée. C’est une étape indispensable pour faire la prédiction lors de la conception.
III.1.2.4. Solution proposée : Emulation de l’émission de la source
Vu le contexte industriel où le temps de développement des systèmes électroniques se doit d'être de plus en plus court, la solution que nous proposons consiste à remplacer le circuit agresseur par une sonde champ proche, la SkateProbe. La spécificité de cette sonde est que son rayonnement coïncide avec celui du composant perturbateur. Nous réalisons ainsi l'émulation de son rayonnement champ proche. En étudiant le couplage entre la sonde et le circuit victime, on peut remonter facilement au couplage réel entre l’agresseur et la victime.
victime
Carte de test1 SkateProbe
Figure III–5 : Couplage entre une SkateProbe et un circuit intégré victime.
En utilisant cette technique, il n’est pas nécessaire de concevoir de carte de test CEM. Il suffit de caractériser l’émission champ proche de la source de perturbation directement sur le système. Ensuite, on émule son émission à l’aide d’une SkateProbe. Puis on étudie le couplage entre la SkateProbe et le composant victime. On en déduit enfin le couplage entre les composants source et victime de la perturbation. Finalement, seules quatre étapes sont nécessaires à la mise en œuvre de cette technique :
1. Caractérisation de l’émission de l’agresseur : cette mesure ne nécessite aucune carte de test, elle est directement réalisée sur le système ;
2. Emulation de l’émission de l’agresseur : cette étape, très rapide, ne fait intervenir que du traitement logiciel et des éléments passifs. La sonde est validée avant d’être fabriquée ;
3. Couplage entre la SkateProbe et la victime : il est beaucoup plus simple de positionner la SkateProbe par rapport à la victime. La maîtrise de ce positionnement permet une meilleure étude du couplage entre la sonde et la victime.
4. Déduction du couplage entre le circuit intégré source et la victime : c’est la première sous étape de la modélisation du couplage entre la source et la victime. Le type de couplage est évalué avec la sonde. Il est ensuite reporté entre l’agresseur réel et la victime.
Cette technique de mesure présente l’avantage d’éviter la fabrication de cartes de test. Elle réduit également le nombre d’étapes nécessaire pour mener à bien l’étude du couplage. En
plus, elle simplifie l’évaluation du couplage avec la victime. Elle réduit considérablement le temps nécessaire à la caractérisation du couplage entre l’agresseur et la victime. Plus rapidement que le couplage puce à puce, cette méthode permet d’identifier les positions critiques de l’agresseur par rapport à la victime. Elle permet ainsi de réduire le nombre d’itérations lors de la conception d’un système électronique.