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.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH HD12D60 & CESAME Học viên thực hiện : LÝ THỊ THANH ĐÀO Lớp : Cao học Kỹ Thuật Điện Tử - K25KĐT Niên khoá : 2012 - 2014 GVHD : PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng, tháng 11 năm 2013 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 2 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 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 HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 3 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến CHƯƠNG 1: EMC TRONG MẠCH TÍCH HỢP 1.1. 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 HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 4 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 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 1-3: Bức xạ dẫn, bức xạ phát ra và độ nhạy cảm của mạch tích hợp. 1.2. Bức xạ của mạch tích hợp 1.2.1. Cơ bản về bức xạ điện từ Bức xạ ký sinh được sinh ra bởi các hoạt động chuyển mạch của mạch tích hợp IC tạo nên dòng quá độ trong mạch như hình 1-4. 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 dẫn có thể chuyển dòng quá độ thành sụt áp trên điện nguồn và đất cung cấp (hình 1-5). HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 5 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến Cuộn cảm ký sinh của các kết nối nội chịu trách nhiệm chính trong sụt áp. Chuyển đổi 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. Các thông số mạch ảnh hưởng Chú thích Hoạt động bên trong IC (Internal Activity) Hoạt động bên trong (IA) tạo nên dòng quá độ ký sinh chảy trong mạch. Do đó, một dãy I/O song song hoặc một lõi kỹ thuật số lớn tạo nên một sự bức xạ mạnh bởi 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. HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 6 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 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 áp nguồn cung cấp. - Mật độ cổng và dòng đỉnh trên cổng. Ngay cả khi dòng đỉnh trên cổng liên tục giảm, mật độ cổng và độ phức tạp mạch tăng. - Dung lượng trên cổng. Tổng các cổng, kết nối bên trong, tụ tiếp giáp tạo thành một tụ cách ly bên trong giúp lọc nhiễu nội. Bảng 1-2: Sự tăng EMI với kỹ thuật giảm dần kích thước cổng CMOS. HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 7 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 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? - … Trả lời các câu hỏi như vậy yêu cầu một mô hình EMI chính xác, các công cụ mô phỏng đầy đủ và các kỹ thuật dự đoán EMI tin cậy. Hình 1-6: Kỹ thuật namo kết hợp với kỹ thuật sản xuất vi điều khiển và vi xử lý. HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 8 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 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. Các thông số ảnh hưởng Chú thích HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 9 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến Mức độ nhạy cảm của một khối IC Sức chịu đựng của các mạch với sự nhiễu loạn RF được đặc trưng bởi: - Noise margin: nó định nghĩa biên độ cao nhất mà một mạch có thể chịu đựng để đảm bảo hoạt động bình thường. Noise margin tĩnh và động có thể khác biệt. Margin tĩnh liên quan đến nhiễu liên tục trong khi margin động liên quan đến nhiễu ngắn nhanh. - 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. HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 10 [...]... 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 ICEMC được mô tả trong hình 2-5 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... luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VĐK HC12D60 VÀ CHIP CESAME Vì các mạch tích hợp là nguồn chính của bức xạ điện từ, đối tượng đầu tiên của các mô hình EMC của các IC là cung cấp các mô phỏng EMC mức độ hệ thống con với các mô hình chính xác và đơn giản của các IC nhúng Một trong các đặc điểm chính của ICEMC là mô phỏng bức xạ điện từ của các mạch Tiên đoán bức xạ điện từ của... bước trước để mô phỏng Mô phỏng được thực hiện trong miền thời gian, kết quả chứa trong file “d60_vde.txt” Kết quả này được dùng làm đầu vào để mô phỏng bức xạ trong Emission Window của chương trình IC-EMC Hình 3-6: Mô phỏng transient thực hiện bởi WinSpice HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 23 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 3.1.7 Mô phỏng bức xạ Dạng sóng điện áp tính từ mô phỏng tương tự được... nelist cần thiết để đưa vào mô phỏng với WINSpice HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 28 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 3.1.1 KẾT LUẬN Tiểu luận đã trình bày về vấn đề bức xạ và độ nhạy cảm trong mạch tích hợp đồng thời giới thiệu về phần mềm mô phỏng ICEMC dành riêng cho mô phỏng EMC trong IC Lược đồ mô phỏng bức xạ với IC-EMC và tiên doán bức xạ dựa trên cơ sở mô phỏng SPICE với thuật toán... N+ và N- 3.1.3 Mô tả nguồn dòng IA của mạch tương ứng với chu kỳ nạp xả có thể được mô hình bởi một hoặc một vài nguồn dòng, mô tả cơ bản nhất được thực hiện bởi dạng xung Hình 3-4: Mô tả nguồn dòng HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 22 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến 3.1.4 Mô tả nguồn cung cấp Nguồn cung cấp được mô hình hóa bởi một nguồn điện áp cố định Trong hình 3-5, nguồn điện áp là hằng... 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... 2-4: Mô phỏng và đo 1/150Ohm HVTH: Lý Thị Thanh Đào Trang 15 Tiểu luận môn học GVHD: PGS.TS Tăng Tấn Chiến Các phép đo bức xạ truyền thống được thực hiện trong miền tần số Các phép đo có 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. .. vài so sánh giữa mô phỏng và kết quả đã được chỉ ra Tiên đoán chính xác bức xạ điện từ của mạch là một nhiệm vụ khó khăn vì bức xạ phụ thuộc vào số lượng và độ phức các thiết bị cũng như độ hoạt động của mạch mạng nguồn cung cấp cho mạch, đường PCB,… Mô phỏng theo thời gian và vấn đề bảo mật layout liên quan dẫn đến sự cần thiết của các mô hình Tiểu luận cũng đề cập mô hình bức xạ mạch tích hợp ICEM... 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... phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT) Trong menu tạo SPICE, chọn “Emission Window” Phổ sẽ xuất hiện như hình 3-7 Đó là biến đổi FFT của kết quả mô phỏng WinSPICE trong miền thời gian ở trên Hình 3-7: Biển đổi FFT của kết quả mô phỏng 3.1.7 So sánh kết quả đo với mô phỏng Trong cửa sổ EMC, chọn “Add Measurements” để xem kết quả phép đo chồng lên kết quả mô phỏng nhằm mục đích so sánh Ví dụ so sánh . phỏng và đo lường trong IC- EMC được mô tả trong hình 2-5. 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. 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. 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