3-2 Récapitulatif des principales caractéristiques électriques mesurées

Le tableau IV.4 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. Nous constatons que le rapport cyclique augmente avec le courant moyen pour compenser la chute de tension amenée par la résistance série de l’inductance intégrée.

Fréquence de commutation : 1MHz

Simulation Mesure

Vin=3,3V - Iout=100mA

Tension de sortie (V) 1 1,03

Courant moyen (A) 0,1 0,105

∆IL (A) 0,114 0,130

Rapport Cyclique 0,4 0,45

Vin=3,3V - Iout=300mA

Tension de sortie (V) 1 1,028

Courant moyen (A) 0,3 0,308

∆IL (A) 0,110 0,112

Rapport Cyclique 0,62 0,7

Vin=5V - Iout=500mA

Tension de sortie (V) 1 1,015

Courant moyen (A) 0,5 0,501

∆IL (A) 0,176 0,164

Rapport Cyclique 0,55 0,7

Tableau IV.4. Contraintes électriques supportées par l’inductance intégrée

Les courants moyens dans l’inductance, fixés par des charges de 10 ohms, 3,3 ohms, et 2 ohms, correspondent aux simulations. De même, la mesure de l’ondulation de ce même courant et la forme de la tension aux bornes de l’inductance sont comparables aux valeurs simulées, démontrant ainsi le comportement inductif du composant intégré, pour une fréquence de commutation de 1 MHz. Par ailleurs, l’expérience a montré que ce composant a résisté à la circulation d’un courant moyen de 500 mA et pouvait atteindre une valeur crête de 583 mA.

Vout IL VL α Vout IL VL α

4. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons démontré la faisabilité d’inductances intégrées à faible résistance série et capables de fonctionner entre 1 MHz et 10 MHz et au-delà.

La modélisation, présentée au chapitre II, avait indiqué l’intérêt résidant dans l’utilisation d’inductances couplées et notamment dans la mise en série et en parallèle de bobines. Pour la fabrication de ces composants et la validation des modélisations, un procédé technologique reproductible a été présenté et a bénéficié de constantes améliorations grâce au savoir faire et au professionnalisme de l’équipe TEAM.

Le premier volet de ce chapitre a consisté à mettre en place la caractérisation des composants inductifs réalisés, pour valider l’ensemble de notre étude. Pour cela, un banc de mesure impédance- métrique d’une part et un convertisseur Buck d’autre part, ont été utilisés. Tout d’abord, le banc de mesure d’impédance nous a permis de valider notre modèle de dimensionnement de composants inductifs et de déterminer la plage fréquentielle de fonctionnement. La modélisation présentée au chapitre II nous permet donc de déterminer les valeurs de L et de R pour des bobines planaires classiques et pour une association en parallèle et en série de plusieurs bobines. En particulier, nous avons démontré la capacité de ce modèle a évaluer couplage magnétique entre deux bobines quelque soit type de topologie envisagée (« interleaved » et « stacked »). Ensuite, dans le cadre de mesures d’inductances superposées en série, nous avons déterminé que les coefficients de couplage k dépassaient 0,9 quelque soit le taux de remplissage des bobines. Dans ce contexte, les conditions pour obtenir une réduction de la résistance avec une quasi-conservation de l’inductance ont été validées. Ces conditions correspondent à un fort couplage magnétique entre les bobines.

L’intérêt de l’intégration sur un substrat isolant de type Pyrex® a également été vérifié. Son caractère isolant supprime toute forme de pertes par courants induits, se traduisant par une bande passante accrue et des facteurs de qualité supérieurs aux hautes fréquences. En outre, grâce à une comparaison avec des composants réalisés sur silicium, nous avons pu déterminer les causes de l’augmentation de la résistance AC. Premièrement, il est apparut que les effets de proximité entre les conducteurs interviennent à toutes les fréquences. Dans ce cadre nous avons montré que la division des conducteurs selon une topologie « interleaved », donnait la possibilité de réduire la résistance AC. Ce phénomène a été mesuré à plusieurs reprises et pour différents substrats et semble être directement lié aux effets de proximité entre conducteurs. Deuxièmement, la comparaison des mesures a démontré qu’à partir une certaine fréquence, l’augmentation de la résistance AC est étroitement liée à la présence d’un substrat semi-conducteur. Le caractère isolant du Pyrex® supprime alors cette augmentation supplémentaire de la résistance AC. Ce travail a pu être mené à bien grâce au concours de Philippe Artillan et de Nicolas Mauran du service 2I.

Dans une troisième partie, nous avons entrepris de vérifier la tenue en courant des composants inductifs. Pour cela, nous avons utilisé un convertisseur Buck, dimensionné par Stéphane Petibon et Lionel Séguier pour une application de téléphonie mobile 3,3V-1V. Les formes d’ondes relevées à l’oscilloscope ont permis de caractériser le comportement inductif des composants intégrés pour une fréquence de commutation de 1 MHz. Nous avons alors démontré que les conducteurs de section carrée de 15 µm de large et d’épaisseur sont capables de véhiculer des courants pics de près de 600 mA. Ensuite, pour les composants présentant la résistance série la plus élevée, leur rupture a été obtenue pour un courant moyen supérieur à 100mA. Ces deux séries de mesures montrent alors que si

les conducteurs utilisés sont capables de supporter le courant imposé, la résistance série limite le courant maximum par la dissipation thermique qu’elle induit.

Par conséquent, à la lumière des résultats expérimentaux présentés, validant la modélisation numérique du chapitre II, nous pouvons conclure que les procédures de dimensionnement proposées, visant à diminuer la résistance série à valeur d’inductance donnée, vont permettre de fournir des composants capables de supporter des courants pics d’au moins 600 mA, pour des fréquences au moins égales à 1 MHz. Egalement, la faisabilité de composants inductifs constitués d’au moins deux bobines, liées par un fort couplage magnétique, a été démontrée. Des perspectives d’intégration des convertisseurs à haute fréquence de commutation s’ouvrent alors nous.