MÔ PHỎNG TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH HD12D60 CESAME

MÔ PHỎNG TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH HD12D60 CESAME Tương thích điện từ (EMC) là một vấn đề cơ bản mà tất cả các thiết bị điện và điện tử phải đáp ứng để đảm bảo cho tất cả các thiết bị điện, điện tử hoạt động đồng thời trong cùng một hệ thống và sự an toàn cho người sử dụng trong một môi trường có trường điện từ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Học viên thực hiện : LÝ THỊ THANH ĐÀO

Lớp : Cao học Kỹ Thuật Điện Tử - K25KĐT Niên khoá : 2012 - 2014

MỤC LỤC

1

Học viên thực hiện : LÝ THỊ THANH ĐÀO 1

GVHD : PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN 1

CHƯƠNG 1: EMC TRONG MẠCH TÍCH HỢP 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Bức xạ của mạch tích hợp 5

1.2.1 Cơ bản về bức xạ điện từ 5

1.2.2 Ảnh hưởng của sự phát triển kỹ thuật IC đến sự bức xạ 7

1.3 Độ nhạy cảm trong mạch tích hợp 9

1.3.1 Cơ bản về độ nhạy cảm với nhiễu tần số vô tuyến 9

1.3.2 Ảnh hưởng của sự phát triển kỹ thuật IC đến độ nhạy cảm 11

2.1 Giới thiệu về phần mềm IC_EMC và WINSPICE 13

2.2 Đặc điểm của bức xạ điện từ trong mạch tích hợp 14

2.3 Lược đồ mô phỏng bức xạ 15

2.4 Mô hình ICEM 16

2.4.1 Các định nghĩa 16

2.4.2 Chi tiết các thành phần cơ bản của mô hình 17

2.4.3 Hướng đến một mô hình tiêu chuẩn chung 18

3.1 Mô phỏng bức xạ dẫn trong IC HC12D60 20

3.1.1 Mô hình ICEM 20

3.1.2 Tạo file SPICE 21

3.1.3 Mô tả nguồn dòng 22

3.1.4 Mô tả nguồn cung cấp 23

3.1.5 Mô tả phân tích 23

3.1.6 Mô phỏng SPICE 23

3.1.7 Mô phỏng bức xạ 24

3.1.7 So sánh kết quả đo với mô phỏng 24

3.2 Mô phỏng bức xạ của chip kiểm tra CESAME 25

3.2.1 Biểu diễn các thành phần 25

3.2.2 So sánh kết quả đo với mô phỏng 26

3.3 Phân tích tiên đoán sử dụng các mô hình ICEM 27

3.3.1 Mô tả công cụ 27

3.3.2 Các thông số ICEM model expert 27

3.3.3 Tạo mạch và file SPICE netlist 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

CHƯƠNG 1: EMC TRONG MẠCH TÍCH HỢP1.1 Giới thiệu

Tương thích điện từ (EMC) là một vấn đề cơ bản mà tất cả các thiết bị điện và điện

tử phải đáp ứng để đảm bảo cho tất cả các thiết bị điện, điện tử hoạt động đồng thời trong cùng một hệ thống và sự an toàn cho người sử dụng trong một môi trường có trường điện từ

Hình 1-1: Mô tả tương thích điện từ trong một hệ thống thiết bị điện và điện tử.

EMC bao gồm hai khía cạnh: bức xạ điện từ và độ nhạy cảm với nhiễu điện từ Vai trò của các kỹ sư EMC là giảm bức xạ và độ nhạy cảm điện từ của thiết bị điện tử đến giá trị giới hạn tiêu chuẩn

EMC đã được xem xét ở mức độ hệ thống, cáp, mạch in trong một thời gian dài

Hình 1-2: Các kỹ thuật khác nhau sử dụng ở mức độ hệ thống, cáp và PCB

để giải quyết vấn đề EMC

Tuy nhiên, các kỹ thuật cải thiện EMC ở mức độ hệ thống chủ yếu liên quan đến lọc nhiễu Do đó, xem xét ở mức độ hệ thống là chưa đủ vì các thiết bị bán dẫn vừa là nguồn cũng là nạn nhân của nhiễu điện từ Đảm bảo EMC ở mức độ mạch cho phép giảm nguồn nhiễu và nguồn gốc của sự nhiễu loạn một cách hiệu quả Nó cũng làm giảm chi phí

EMC bằng cách loại bỏ một số thiết bị bảo vệ EMC Ngoài ra tối ưu hóa các lựa chọn và

vị trí của các thiết bị bảo vệ EMC đòi hỏi mô hình chính xác của tất cả hệ thống

Hình 1-4: Cơ chế cơ bản của dòng CMOS(ví dụ trong cổng đảo).

Tuy nhiên, dòng quá độ tự nó không thể tạo nên nhiễu điện từ trực tiếp Giả sử nguồn cung cấp và điện áp đất lý tưởng, các điện áp sẽ giữ cố định ở bất cứ dòng tiêu thụ nào Thực tế, IC được kết nối đến nguồn điện áp không lý tưởng (pin, biến áp, đất) thông qua các kết nối nội thực hiện bởi cáp, đường đồng, đường PCB Các kết nối nội là sự dẫn điện không hoàn hảo, vì một vài ảnh hưởng kí sinh, đại diện bởi các thành phần điện như điện trở, cuộn dây, tụ điện Do đó, các kết nối nội không thể xem là đẳng thế Các dây

dòng quá độ thành điện áp tăng vọt bởi cuộn cảm được tính bởi công thức (1-1).

(1-1)

Sụt áp có thể truyền qua mạch chia sẻ cùng một nguồn cung cấp, gọi là bức xạ dẫn Thêm vào đó, dòng và sụt áp theo các kết nối nội tạo nên trường điện từ gọi là bức xạ phát ra

Hình 1-5: Bức xạ ký sinh IC do hoạt động chuyển mạch và các kết nối

cung cấp nguồn ký sinh.

Các bức xạ điện từ của các mạch được liệt kê trong bảng 1-1 Tìm hiểu về các thông

số ảnh hưởng sẽ giúp ta có thể đề xuất các kỹ thuật giảm sự bức xạ

vì chu kỳ nạp xả thường xuyên

Tải kết nối đến mạch Một điện dung tải lớn tạo nên sự chuyển đổi nạp và bức

xạ ký sinh đáng kể

Ảnh hưởng lọc

của mạch

Các kết nối bên trong, điện dung và các đường dẫn ký sinh trong chip có một ảnh hưởng đến sự lan truyền của dòng ký sinh trong mạch Chúng có thể đóng góp để giữ dòng ký sinh bên trong mạch và giảm biến động điện áp nguồn trong trường hợp tốt nhất, hoặc tạo ra các đường dẫn rò có thể ảnh hưởng đến các khối cảm biến

Bảng 1-1: Các thông số ảnh hưởng đến bức xạ điện từ

1.2.2 Ảnh hưởng của sự phát triển kỹ thuật IC đến sự bức xạ

Tầm quan trọng của bức xạ ký sinh gây ra bởi hoạt động chuyển mạch của các IC

đã tăng lên đặc biệt với sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật CMOS Theo lộ trình kỹ thuật quốc tế cho các chất bán dẫn (ITRS), công nghệ CMOS 32nm với tần số hoạt động chuẩn gần 50GHz cho những đơn vị xử lý và dung lượng được tích hợp trong một khối silicon 3x3cm là gần một tỉ CMOS (bảng 1-2) Khi chuyển mạch, một cổng sẽ tạo ra một xung dòng nhỏ Sự cộng lại của các xung dòng thành phần sẽ kích thích dòng điện rất lớn trong chip, gần 100A trong thế hệ các vi xử lý chất lượng cao mới nhất Bảng 1-3 cho biết sự phát triển của một vài đặc điểm mạch số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng EMC:

- Điện áp nguồn cung cấp, cả dòng quá độ và ngưỡng nhiễu đều phụ thuộc vào điện

Bảng 1-3: Ảnh hưởng của kỹ thuật giảm dần kích thước cổng

trong các mạch số đến tương thích điện từ.

Vì các dòng quá độ, các IC có thể tạo nên bức xạ ký sinh phát ra và bức xạ dẫn Sự tăng tần số hoạt động, độ phức tạp của mạch và số lượng các I/O được miêu tả trong bảng 1-2 theo lộ trình EDA Có thể thấy rằng mức độ bức xạ đỉnh cũng có khuynh hướng tăng

và có thể kích thích nhiễu bên trong và gần IC Phần lớn các phương pháp đo lường được giới hạn đến 1GHz Phương pháp đo lường GTEM, ứng với sự bức xạ lên đến 18GHz.Nhu cầu với các mạch tích hợp bức xạ thấp ngày càng tăng, đặc biệt trong thị trường hệ thống nhúng (ví dụ: ôtô, hàng không vũ trụ, các ứng dụng y tế,…) Áp dụng các quy tắc thiết kế bức xạ thấp được yêu cầu và thường hiệu quả nhưng ngày càng có nhiều các câu hỏi được đặt ra:

- Có một giá trị tối ưu và vị trí cho các tụ cách ly trong chip không?

- Quy hoạch tối ưu liên quan đến bức xạ ký sinh thấp?

- Vị trí các khối trong chip ảnh hưởng đến EMI như thế nào?

- Lựa chọn kỹ thuật cách ly nên có làm giảm bức xạ không?

1.3 Độ nhạy cảm trong mạch tích hợp

1.3.1 Cơ bản về độ nhạy cảm với nhiễu tần số vô tuyến

Độ nhạy cảm với nhiễu điện từ đã đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế mạch tích hợp những năm gần đây và vẫn là một mối quan tâm lớn với các nguồn có nhiễu kí sinh như điện thoại di động, các mạch tốc độ cao và các hệ thống không dây

Bằng cách ghép trở kháng hoặc ghép điện dung, sự nhiễu loạn có thể ghép hoặc lan truyền đến các điểm có thể xâm nhập vào mạch tích hợp: các đầu vào, đầu ra, các thiết bị ngoại vi, lõi hoặc thông qua các bề mặt chung Sự nhiễu loạn có thể gây ra trục trặc tạm thời (như lỗi bit, jiter, reset không mong muốn, trôi điện áp…) hoặc các nguy hiểm vĩnh viễn của các thiết bị điện (sự cố oxit, chốt mạch…) Trong các ứng dụng tự động, phần lớn sự nhiễu loạn bên trong được tạo ra trong suốt hoạt động bình thường của thiết bị bởi các nguồn như hệ thống đánh lửa, hệ thống phát điện, chuyển đổi của động cơ điện hoặc thiết bị truyền động

Độ nhạy cảm của mạch phụ thuộc rất lớn vào thiết kế mạch và loại khối thiết kế Tuy nhiên, các thông số chung có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy cảm có thể được liệt kê như bảng 1-4 Hiểu rõ về các thông số có thể giúp làm sáng tỏ nguồn gốc độ nhạy cảm và đề xuất các kỹ thuật cải tiến Noise margin kỹ thuật số có liên quan đến công nghệ và điện áp nguồn cung cấp Các mạch tương tự thường có mức nhạy cảm cao hơn mạch số, vì noise margin nhỏ hơn Bảng 1-5 so sánh các dải nhạy cảm của một số loại IC

Hình 1-7: Các nguồn tần số vô tuyến ký sinh có thể gây nhiễu

trong các mạch tích hợp.

- Delay margin: nó liên quan đến ràng buộc thời gian setup và thời gian hold time của mạch số, nó định nghĩa

độ trễ lớn nhất chấp nhận được giữa hai tín hiệu

Tác động lọc của mạch

Các kết nối nội, tụ cách ly và các đường dẫn ghép ký sinh trên chip có ảnh hưởng đến nhiễu ngoài trong một mạch

Vấn đề phi tuyến

IC có tính chất phi tuyến cao (điện trở, diode, khóa) Cấu trúc phi tuyến trong khi có nhiễu RF biên độ trung bình gây nên các thay đổi một số điểm hoạt động trong mạch

Trở kháng node Trở kháng của các node trong mạch ảnh hưởng đến sự

ghép nhiễu và độ nhạy cảm

Bảng1-4: Các thông số ảnh hưởng đến độ nhạy cảm của mạch

Độ nhạy cảm của các thiết bị điện cũng có thể phụ thuộc rất lớn vào khả năng nhiễu điện từ và nó liên quan đến các tần số nhiễu Với dải tần số từ 3 đến 30MHz, sự nhiễu loạn có thể ảnh hưởng đến các cấu trúc kim loại lớn như máy bay hay xe hơi Với tần số

từ 30 đến 300MHz, tác dụng ănten hiệu quả nhất xảy ra ở các kết nối kim loại quanh 1m, trong khi ở tần số 3 đến 30MHz, kích thước ănten là khoảng vài cm (hình 1-9) Tại các tần số này, lớp kim loại dẫn có thể hoạt động như một ănten và thu được một lượng lớn nhiễu

Bảng 1-5: Độ nhạy cảm của các chức năng tương tự trên chip.

Hình1-8: Độ nhạy cảm của mạch tích hợp phụ thuộc vào

hiệu quả ghép nhiễu điện từ

Hình1-9: Liên qua giữa tần số nhiễu và hiệu quả của ănten.

1.3.2 Ảnh hưởng của sự phát triển kỹ thuật IC đến độ nhạy cảm

Xu hướng ngày càng nhỏ được mô tả trong bảng 1-2 có ảnh hưởng rất lớn đến mạch tích hợp Đầu tiên, sự giảm điện áp nguồn làm giảm noise margin của tín hiệu điện và do

đó tăng độ nhạy cảm IC với nhiễu tần số vô tuyền RFI Sau đó, vì tần số cắt tăng, các mạch trở nên nhạy cảm hơn với các tín hiệu ngắn và nhanh

Mặc dù các mạch tích hợp có bảo vệ chống nhiễu loạn hiệu quả như bảo vệ chống tĩnh điện ESD, mạch tích hợp có thể chịu đựng ít nhiễu điện trên các chân tín hiệu và nguồn vì sự giảm liên tục của nguồn điện áp Noise margin thường +/-20% của nguồn cung cấp thường Với công nghệ CMOS 65nm, điện áp cung cấp 1V đến noise margin +/-200mV Noise margin giảm đến 0.1V đến năm 2015 theo lộ trình hình 1-10 Nhiễu có thể gây nên ảnh hưởng thay đổi từ một thiết kế IC này đến IC khác

Hình 1-10: Sự giảm của điện áp nguồn nội dẫn đến giảm noise margin.

Với các kỹ thuật mới nhất, gần một nghìn tỉ thiết bị có thể cùng tích hợp trên một miếng silicon Vài bộ phận của chip tạo thành EMI trong khi các phần khác có độ nhạy cảm thấp với mức EMI Đó là vấn đề để đảm bảo các hệ thống nhúng có thể hoạt động

Áp dụng các quy tắc thiết kế độ nhạy cảm thấp thường hiệu quả nhưng có các câu hỏi được đặt ra:

- Có một giá trị tối ưu và vị trí cho các tụ cách ly trong chip không?

- Quy hoạch tối ưu liên quan đến độ nhạy cảm ký sinh thấp?

- Vị trí các khối trong chip ảnh hưởng đến độ nhạy cảm như thế nào?

- Lựa chọn kỹ thuật cách ly nên có làm giảm độ nhạy không?

Trả lời các câu hỏi như vậy yêu cầu các mô hình EMI chính xác, các công cụ mô phỏng và các phương pháp dự đoán EMI tin cậy

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM IC-EMC

IC-EMC là phần mềm mô phỏng hoàn toàn dành cho các vần đề EMC cho các mạch tích hợp IC-EMC tạo ra schematic editor giao tiếp với phần mềm mô phỏng WinSPACE Với các kết quả mô phỏng cung cấp bởi WinSPICE, IC-EMC đề xuất tập hợp các công cụ để tách các thông tin EMC

Chương này cũng sẽ mô tả lược đồ mô phỏng cho bức xạ Mô hình bức xạ của IC được đề xuất, nhấn mạnh các phương pháp đo lường bức xạ tiêu chuẩn ở mức độ IC, được định nghĩa bởi IEC61967

2.1 Giới thiệu về phần mềm IC_EMC và WINSPICE

Công cụ IC-EMC thực hiện so sánh giữa kết quả đo lường và mô phỏng bức xạ dẫn

và bức xạ phát ra, bức xạ gần xa, trở kháng như hình 2-1 Thêm vào đó, phần mềm gồm các công cụ phân tích trình chiếu gói IC 3D và mô phỏng bức xạ gần xa

Hình 2-1: Các chức năng chính của IC-EMC.

Các công cụ chính cả IC-EMC được chỉ ra trong hình 2-2

schematic editor Các mô hình được cung cấp bởi IC-EMC hoặc thư viện ngoài File netlist được tạo bởi IC-EMC để làm đầu vào cho mô phỏng WinSPICE Sau khi mô phỏng, kết quả WinSPICE được dùng để đưa vào IC-EMC Các định dạng file đo lường khác nhau có thể để so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo đạt.

Hình 2-3: Lược đồ mô phỏng của IC-EMC.

2.2 Đặc điểm của bức xạ điện từ trong mạch tích hợp

Để đảm bảo bức xạ điện từ thấp cho các IC, chúng phải vượt qua các phép đo kiểm tra bức xạ Đặc điểm bức xạ của một IC bao gồm đo lường mức độ điện từ dẫn và bức xạ phát ra bởi hoạt động của nó Bài kiểm tra nên cách ly mạch càng nhiều càng tốt trên bức

xạ điện từ, ngay cả khi nó cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số ngoài đến mạch (vị trí các

tụ cách ly, đường nối board, tải I/O) Tiêu chuẩn IEC 61967 định nghĩa các phương pháp

để mô tả bức xạ IC trên dải tần số 150KHz – 1GHz [5-1] Bảng 2-1 và 2-2 tổng kết các phương pháp chuẩn để mô tả bức xạ IC theo IEC 61967 và trạng thái của chúng

Bảng 2-1:Các phương pháp đo lường liên quan đến

các tiêu chuẩn bức xạ IC IEC61967.

Chuẩn Mô tả

IEC61967-1 Các định nghĩa và các điều kiện chung

IEC61967-2 Phương pháp tế bào TEM và TEM băng rộng (GTEM)

IEC61967-3 Phương pháp quét bề mặt

IEC61967-4 Phương pháo ghép trực tiếp 1Ohm/150Ohm

IEC61967-5 Phương pháp WBFC

IEC61967-6 Phương pháp thăm dò từ tính

IEC61967-7 Phương pháp CRBM

IEC61967-8 Phương pháp băng dẫn IC

Bảng 2-2: Tiêu chuẩn IEC61967.

2.3 Lược đồ mô phỏng bức xạ

Hầu hết thời gian, EMC của các mô hình IC được kiểm tra bằng các phép đo thực hiện trên một mạch tích hợp gắn trên một board EMC cụ thể, trong một cấu hình tối giản Sau khi mô hình mạch đã được kiểm tra, nó có thể bao gồm trong một hệ thống phụ để

mô phỏng bức xạ của một hệ thống điện hoàn chỉnh, có thể bao gồm vài mạch, các mặt phẳng, PCB, các kết nối, … Mục đích chính của IC-EMC là giúp người sử dụng xây dựng các mô hình EMC và so sánh với các phép đo EMC

Lược đồ chung thường sử dụng để so sánh mô phỏng và phép đo được mô tả trong hình 2-4 Ví dụ với một phép đo bức xạ dẫn trên cơ sở tiêu chuẩn IE61967-4-1Ohm/150Ohm Cơ chế này được dựa trên việc sử dụng của các phép đo được thiết kế trên các board kiểm tra và đặt các chân cảm biến EMC như các chân ra, nguồn cung cấp, đất

thể được sử dụng mấy đo dạng sóng băng rộng và các dụng cụ đo tích cực, có thể chuyển đổi thành miền tần số sử dụng biến đổi Fourier

Vì bức xạ điện từ xuất phát từ hoạt động chuyển mạch của mạch, các mô phỏng trong IC-EMC được thực hiện trong miền thời gian Phổ của nhiễu điện từ thực hiện bởi mạch sau đó sẽ được chiết ra với thuật toán FFT

Các bước mô phỏng để so sánh bức xạ điện từ mô phỏng và đo lường trong EMC được mô tả trong hình 2-5

IC-Hình 2-5: Mở rộng của mô hình IBIS và ICEM để so sánh mô phỏng

và các phép đo.

2.4 Mô hình ICEM

Mục đích chính của mô hình ICEM (mô hình bức xạ mạch tích hợp - Intergrated Circuit Emission Model) cho các thành phần để mô hình hoá cho các mạch tích hợp số hoặc tương tự hoạt động đến 3GHz ICEM được đề xuất năm 2002 bởi UTE

ICEM có thể được sử đụng để:

- Tiên đoán bức xạ dẫn và bức xạ tại chip và mức độ board mạch in

- Tiên đoán khả năng tự động của mạch

2.4.1 Các định nghĩa

Năm thành phần được định nghĩa:

- Hoạt động bên trong IA (Internal Activity) mô tả độ hoạt động mạch tích hợp bởi nguồn hiện tại

- Mạng cách ly thụ động PDN (Passive Decoupling Network) mô tả mạng trở kháng thông qua một hoặc một vài kết nối