Qu'est-ce que l'intégrité énergétique ?

L'intégrité énergétique (PI) est la branche du génie électrique qui vise à garantir que le réseau de distribution d'énergie (PDN pour Power Delivery Network) d'un système électronique fournit efficacement une alimentation stable à l'ensemble du système. Pour fonctionner correctement, les circuits imprimés (PCB), les circuits intégrés (CI) et les boîtiers de circuits intégrés (CI) doivent recevoir une alimentation électrique à une tension constante, avec des variations minimales dans le temps. Cette alimentation ne doit pas non plus interférer avec les circuits de signaux et doit perdre le moins d'énergie possible en raison de la production de chaleur. Une bonne intégrité énergétique est essentielle pour assurer une intégrité des signaux acceptable, maintenir les appareils dans des plages de température adéquates et minimiser la consommation d'énergie.

Les ingénieurs utilisent divers outils logiciels et tests physiques pour évaluer, modifier et améliorer le réseau de distribution d'énergie des systèmes électroniques.

L'intégrité énergétique est étroitement liée à l'intégrité des signaux, et les ingénieurs les analysent généralement en parallèle. Son importance et ses défis ont augmenté avec la miniaturisation des systèmes électroniques, leur complexité croissante, leurs besoins énergétiques plus élevés et leur fonctionnement à des fréquences plus élevées.

À première vue, fournir une alimentation fiable semble relativement simple par rapport à la complexité des autres domaines de la conception de circuits électroniques. Il suffit de connecter l'appareil à une source d'alimentation, de régler la bonne tension, puis de fournir des rails d'alimentation aux circuits de signaux. Cependant, la réalité est plus compliquée. Le mouvement des électrons génère des champs magnétiques pouvant interférer avec d'autres circuits ou provoquer une perte de puissance due à la résistance.

C'est pourquoi les ingénieurs analysent l'intégrité énergétique dès les premières étapes du processus de conception afin d'identifier les problèmes potentiels. Il est difficile de fournir la plage de tension correcte avec une variation minimale en raison de la complexité des systèmes électroniques modernes, qui comportent de nombreux composants, couches et interconnexions.

Dans l'électronique moderne, on trouve des assemblages complexes entre plusieurs composants bénéficiant d'interconnexions intriquées et plusieurs couches reliées par des trous d'interconnexion. Cette géométrie transmet à la fois de l'énergie en courant continu (CC) et des signaux sur une large gamme de fréquences.

Une bonne façon de comprendre l'importance de l'intégrité énergétique consiste à examiner trois principaux types de problèmes liés à celle-ci.

Variations de la tension d'alimentation

Un système électronique reçoit son alimentation à partir d'une source externe en courant alternatif (CA) ou continu (CC). Les composants convertissent ensuite cette tension d'entrée en une tension continue adaptée au système. Cependant, cette conversion de puissance peut entraîner des changements de tension transitoire qui réagissent en fonction de l'inductance du PDN, ce qui provoque des pics et des variations de tension appelés bruit ou ondulation de tension.

Une autre source de fluctuation de tension provient des changements rapides dans la demande de courant. Les transistors passant de leur courant statique à une tension plus élevée, généralement sur un signal d'horloge, sont la cause la plus courante de courant dynamique. Le module de régulateur de tension (VRM) du PDN d'un appareil ne peut pas réagir immédiatement au changement de courant, ce qui peut entraîner une surtension ou une chute de tension (connue sous le nom d'ondulation de tension). On peut prendre pour exemple un microprocesseur passant d'un état au ralenti à un calcul intensif, avant de revenir au ralenti, ce qui entraîne des fluctuations de puissance importantes. Ce phénomène de gigue peut affecter à la fois l'alimentation et les chemins de retour du PDN.

Interférences électromagnétiques (EMI)

Toute variation de la tension d'alimentation ou de masse peut générer des ondes électromagnétiques susceptibles d'induire des courants indésirables dans les circuits environnants. De même, les signaux produits par des circuits numériques ou CA à haute fréquence peuvent induire des courants parasites dans le circuit d'alimentation. Ce phénomène de diaphonie, ou couplage électromagnétique, a un impact direct sur l'intégrité des signaux. Si les ingénieurs ne trouvent pas et n'éliminent pas cette diaphonie au début de la phase de conception, elle risquera d'apparaître lors des tests de compatibilité électromagnétique (CEM) requis ultérieurement. Si elle n'est pas détectée à ce stade, elle entraînera des problèmes d'intégrité des signaux pendant le fonctionnement.

Perte de puissance

Une conductivité insuffisante dans le circuit d'alimentation peut entraîner des chutes de tension dans le PDN. Lorsqu'un courant électrique rencontre une résistance, une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. C'est pourquoi la conception des boîtiers de circuits imprimés et de circuits intégrés doit garantir que les plans de puissance, les trous d'interconnexion et les configurations de chemin de retour ont une impédance et une résistance faibles.

Surmonter les problèmes d'intégrité énergétique est essentiel pour concevoir les systèmes électroniques haute performance d'aujourd'hui. Sans une bonne intégrité énergétique, les produits risquent de présenter des surchauffes ou des problèmes d'intégrité des signaux, ce qui peut entraîner des performances médiocres ou même une défaillance des composants. 

Le PDN d'un système électronique est constitué des chemins conducteurs et de la configuration des composants dans la configuration du circuit imprimé ou dans un boîtier de circuit intégré. Le PDN doit à la fois fournir le courant depuis la source d'alimentation et permettre son retour via un chemin de retour à faible impédance. Les ingénieurs qui souhaitent comprendre l'intégrité énergétique doivent tenir compte des facteurs clés suivants dans les performances du réseau de distribution d'énergie :

Rail d'alimentation

Le rail d'alimentation est le chemin conducteur qui distribue une tension spécifique aux composants du circuit. Dans la conception de circuits imprimés, il correspond au chemin conducteur qui alimente les différentes couches du circuit, puis retourne à la masse. Le terme « rail » vient des premières conceptions analogiques où la source d'alimentation était une véritable barre métallique conductrice.

Plans d'alimentation

Les circuits imprimés, y compris les circuits imprimés flexibles, sont constitués de couches alternées de matériaux conducteurs et isolants. Des colonnes conductrices et creuses verticales, appelées vias, relient les différentes couches conductrices de la pile. Les couches qui fournissent l'alimentation aux couches de traitement des signaux sont appelées plans d'alimentation. L'épaisseur de la couche étant fixe, la capacité de transport de courant dépend de la largeur des pistes conductrices. Si elles ne sont pas assez larges, une résistance localisée risque de provoquer une perte de puissance due au chauffage par effet Joule.

Chemin de retour et plans de masse

Pour compléter un circuit d'alimentation, le courant doit revenir des circuits de signaux vers la source. Le chemin de retour est la partie du PDN qui permet au courant de revenir de la charge à la masse. Dans un circuit imprimé, les couches qui composent ce chemin sont appelées plans de masse.

Interconnexions

Les interconnexions relient différentes parties d'un système électronique. Elles peuvent prendre la forme de circuits imprimés, de matrices de billes ou de broches. Comme les interconnexions transportent à la fois les signaux et l'alimentation, elles sont sensibles aux problèmes d'intégrité énergétique.

Rebond de masse

Le rebond de masse est un phénomène où la tension de masse s'écarte temporairement de sa valeur constante attendue. Les fluctuations de courant dues à des changements rapides de tension dans les circuits de signaux génèrent des interférences électromagnétiques (EMI) qui induisent des courants parasites dans le plan de masse, ce qui provoque un rebond de masse. La capacité parasite dans les pistes et les vias du circuit imprimé peut également contribuer à ce phénomène en stockant et libérant de la charge lors des commutations.

Gigue

La gigue désigne les variations et pics dans les signaux numériques causés par le bruit dans le PDN, les EMI, les problèmes de synchronisation et la variabilité des composants. La gigue étant une cause majeure des problèmes d'intégrité des signaux, sa réduction est un objectif essentiel de la conception du circuit. Pour garantir l'intégrité énergétique, les ingénieurs cherchent à minimiser les variations de tension d'alimentation et de masse, ainsi que le couplage inductif entre les circuits d'alimentation et de signaux.

Pertes parasites

Il s'agit de pertes de puissance dans un circuit électrique dues à des transferts d'énergie qui ne contribuent pas à son fonctionnement ou à la sortie du circuit. Dans le contexte de l'intégrité énergétique, cela inclut les pertes de puissance dues aux effets capacitifs, inductifs et résistifs. Les pertes parasites réduisent non seulement l'efficacité du circuit, mais peuvent également provoquer une chaleur indésirable qui affecte les performances et la robustesse physique. En plus de leur influence sur l'intégrité énergétique, ces pertes ont également un impact sur l'intégrité des signaux.

Chauffage par effet Joule

Lorsque le courant rencontre une résistance, une partie de l'énergie électrique est convertie en énergie thermique. Ce phénomène, appelé chauffage par effet Joule, porte le nom du physicien James Prescott Joule. La quantité de chaleur générée est proportionnelle à la résistance du matériau et au carré de l'intensité du courant.

Impédance du PDN

L'impédance du PDN est l'opposition au passage du courant dans un PDN due à la résistance, l'inductance et la capacité. L'objectif ultime de la conception de l'intégrité énergétique est de maintenir une impédance du PDN inférieure à l'impédance cible du système. Cette dernière dépend de la fréquence et peut varier considérablement, allant de moins de 1 mΩ en courant continu à moins de 100 mΩ à 10 GHz. La configuration d'un circuit imprimé influence l'impédance du PDN, l'inductance des chemins de courant et la capacité entre les plans de puissance et les traces sur les couches de signal. Les condensateurs de découplage jouent également un rôle important. L'impédance du PDN peut varier de manière significative sur toutes les plages de fréquence.

Condensateurs de découplage

Les condensateurs de découplage sont des composants discrets qui fournissent du courant lorsque le module de régulateur de tension (VRM) ne peut pas répondre assez rapidement. Étant donné que l'impédance du PDN varie selon les plages de fréquence, les concepteurs placent plusieurs condensateurs de découplage dans le PDN pour maintenir une faible impédance sur les plages de fréquence. 

Une fois le réseau de distribution d'énergie conçu, les ingénieurs doivent mesurer et analyser la tension et la température dans le temps, à la fois du côté de l'alimentation et de la masse. Cela peut être réalisé virtuellement à l'aide de logiciels de simulation ou physiquement à l'aide d'outils comme un voltmètre numérique ou un oscilloscope. Quelle que soit l'approche, l'objectif est d'identifier les causes des problèmes d'intégrité de l'alimentation : gigue, interférences électromagnétiques (EMI) et chauffage par effet Joule. 

Comparaison côte à côte de la chaleur causée par des problèmes d'intégrité énergétiques capturés avec une caméra thermique (à gauche) et simulés dans le logiciel Ansys Icepak (à droite)

Pour les problèmes thermiques, les ingénieurs examinent des cartes thermiques du système obtenues par caméras thermiques et contours de température simulés. La gigue,les EMI et leur impact sur l'intégrité des signaux sont mesurés et analysés sous forme de tension dans le temps à différents points des circuits d'alimentation et de masse, ainsi que sous forme de diagrammes en œil dans les circuits de signaux.

Mesure et analyse de l'intégrité énergétique par simulation

Une fois la conception du PCB ou du boîtier de CI terminée, les équipes d'ingénierie doivent commencer à évaluer l'intégrité de l'alimentation à l'aide d'un modèle numérique. Étant donné que l'intégrité dépend fortement de la géométrie, simuler la conception électrothermique du PDN est un bon point de départ. Tout d'abord, les membres de l'équipe doivent simuler le cas d'utilisation avec la demande de puissance la plus élevée du système et calculer la chute de tension sur les plans d'alimentation et de masse.

Plusieurs simulations multiphysiques impliquant différentes variables peuvent être nécessaires pour modéliser le transfert thermique. Les ingénieurs doivent s'assurer que leur simulation thermique utilise des conditions environnementales réalistes représentant les conditions de fonctionnement les plus défavorables. En fonction des résultats de simulation, les ingénieurs peuvent modifier la géométrie du circuit d'alimentation et de masse, ajouter ou déplacer des trous d'interconnexion thermiques et appliquer les bonnes pratiques de gestion thermique électronique pour répartir et contrôler la chaleur.

Associé au logiciel Ansys SIwave, le logiciel Ansys Icepak est un outil efficace pour ce type d'analyse. Il peut lire la géométrie directement à partir du logiciel ECAD et simuler le flux de courant et la dissipation de puissance. Ensuite, les données de flux thermique peuvent être transmises au logiciel Icepak pour calculer et mettre à jour les températures dans le modèle électromagnétique. 

Une fois la conception de perte de puissance choisie, l'étape suivante consiste à simuler les interférences électromagnétiques couplées à l'analyse du bruit du PDN. En résolvant les EMI dans plusieurs conditions de fonctionnement, les ingénieurs peuvent mesurer simultanément l'intégrité des signaux et de l'alimentation. Un outil complet tel que le logiciel SIwave permet d'utiliser le même modèle de perte de puissance pour simuler les couplages capacitif et inductif.

Tout d'abord, les ingénieurs doivent mesurer l'impédance du PDN et ajuster la conception jusqu'à atteindre l'impédance cible. Ces itérations peuvent impliquer l'introduction d'un espacement des pistes du circuit, la modification de la géométrie du plan d'alimentation ou de masse, le déplacement ou l'ajout de vias, ou l'introduction de condensateurs pour réduire la diaphonie.

La plupart des systèmes électroniques comprennent à la fois des circuits imprimés et des circuits intégrés. C'est pourquoi les ingénieurs ont besoin d'un ensemble d'outils puissants pour calculer l'intégrité de la puissance au niveau de la puce, comme la plateforme Ansys Totem pour les CI analogiques et CI à signaux mixtes ou la plateforme Ansys Redhawk-SC pour les CI numériques et 3D.

L'aspect le plus important de la mesure et de l'analyse virtuelle est de s'assurer que la simulation prend en compte toutes les conditions réelles de fonctionnement et tous les scénarios d'utilisation afin d'identifier et de résoudre tous les problèmes potentiels d'intégrité de l'alimentation.

Mesure et analyse de l'intégrité énergétique physique

Même après une simulation approfondie et une validation de l'intégrité énergétique, la plupart des processus de conception nécessitent encore des tests physiques. Les mesures et analyses nécessaires sur le banc d'essai sont similaires à celles utilisées dans la simulation. Les ingénieurs ou les techniciens placent les sondes à des emplacements critiques sur le circuit imprimé pour capturer la tension dans le temps. Les oscilloscopes peuvent ensuite utiliser ces données pour produire des diagrammes en œil qui comparent les signaux d'entrée et de sortie.

En outre, l'utilisation de caméras thermiques ou de thermocouples pour surveiller l'évolution de la température dans le temps est une étape essentielle des tests physiques. Comme dans l'environnement numérique, l'appareil doit être soumis à de nombreuses conditions environnementales et scénarios d'utilisation différents pour garantir des performances fiables.

Ressources connexes