GHz-range characterization and modeling of power integrity in SiP for an array of switch-mode converters

Résumé

La tendance à la miniaturisation s’est répandue dans une grande variété de circuits. Dans cette perspective, il est nécessaire d’intégrer de manière plus compacte des circuits électroniques de puissance et des convertisseurs à commutation (switch-mode converter). Conséquemment, le concept de Configurable Power Input and Output System (CPIOS) fut introduit dans le cadre de cette recherche. Ce système intègre sur un même substrat une matrice de convertisseurs à commutation, des circuits analogiques sensibles pour la commande et des capteurs. De nouveaux défis en intégrité de la puissance surgissent alors. En effet, l’activité de commutation du convertisseur génère du bruit sur les rails d’alimentation du CPIOS, affectant du même coup les performances des circuits sensibles. Il est nécessaire de prédire les fluctuations de tension générées par la commutation simultanée des convertisseurs, en termes d’amplitude crête, de forme temporelle et de densité spectrale de puissance, sur ces circuits plus sensibles afin d’évaluer la dégradation des performances. Il y a également un besoin de modèle d’intégrité de la puissance (power integrity) qui prédit la forme des fluctuations de tension sur les circuits sensibles dans une matrice de convertisseurs commutant simultanément. De plus, plusieurs convertisseurs peuvent commuter simultanément dans le CPIOS, augmentant la complexité de la prédiction de ce bruit. La caractérisation du courant est également importante pour évaluer l’intégrité de la puissance, car c’est le principal mécanisme de génération de bruit. Par conséquent, il existe également un besoin pour une technique de mesure de courant intégrée avec des provisions minimales pour les mesures et une bande passa4nte supérieure comparativement aux techniques proposées dans la littérature. L’objectif principal de cette recherche est de modéliser les contraintes d’intégrité de la puissance dans le CPIOS en fonction des différentes conditions de fonctionnement et d’une caractérisation du système. Le premier objectif spécifique est de caractériser le courant de commutation dans les convertisseurs de puissance pour le CPIOS, qui est crucial pour prédire l’intégrité de l’énergie avec une large bande passante. Pour ce faire, une technique de mesure de courant basée sur une ligne de transmission au secondaire d’une structure inductive est proposée. Une analyse du comportement de la structure montre que sa distorsion de mesure (measurement distortion) peut être prédite jusqu’à plusieurs GHz et que le point de mesure peut être placé à n’importe quel endroit pratique sur le substrat sans affecter la distorsion de mesure. Les mesures avec la structure proposée, validées avec la technique connue de résistance série, montrent que le courant dans un convertisseur à commutation peut être caractérisé jusqu’à 1,95 GHz avec une distorsion de mesure inférieure à 3 dB. Ces résultats représentent une amélioration par rapport à l’état de l’art en termes de fréquence et de facilité d’intégration de la technique de mesure de courant. Le deuxième objectif spécifique est de prédire les fluctuations sur les rails d’alimentation des circuits sensibles, en termes de forme temporelle et de densité spectrale de puissance. Ainsi, un modèle pour l’intégrité de la puissance et pour prédire les fluctuations de tension pendant la commutation simultanée des convertisseurs sur les rails d’alimentation est présenté. Pour chaque condition mesurée, une précision meilleure que 10 dB est obtenue entre 0 et 2 GHz, en comparant un signal de référence mesuré et les prédictions, lorsque les fluctuations causées par un ou plusieurs convertisseurs sont mesurées. En termes de forme temporelle, l’erreur quadratique moyenne normalisée par la variance (NMSE) est dans le pire des cas de 0,624 et, dans de nombreuses conditions, meilleure que 0,25. Ce modèle est le premier en son genre à prédire jusqu’à plusieurs GHz l’intégrité de la puissance dans le contexte des convertisseurs de puissance.

Date	10 avr. 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Yves Blaquière (Directeur(-trice)) & Nicolas Constantin (Codirecteur(-trice))