Beschreibung
In den letzten Jahrzehnten hat die Elektronik in Fahrzeugen eine rasante Entwicklung in Richtung hochkomplexer multifunktionaler Chips durchlaufen. Sogenannte „Automotive System ICs“ können mehrere DC/DC-Wandler, einen digitalen Kern, Linearregler, intelligente Schalter, Sensorschnittstellen und Transceiver auf einem einzigen Chip integrieren. Wenn Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erst spät festgestellt werden, können die komplexen Untersuchungen und die erforderlichen Nachbesserungen die Markteinführung entscheidend verzögern. Außerdem wird weniger Aufwand benötigt, um elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen, wenn die EMV bereits auf der Chipebene verbessert wird. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik verwendet neuartige physikalisch-basierte Modellierungstechniken für IC-Gehäuse- und Substratparasiten. Des Weiteren wurden in einer proprietären BCD-Technologie die Modellierung von Induktivitäten und RF-Verlusten in der Leistungsverdrahtung auf dem Chip vorangetrieben. Die vorgestellten Modellierungsverfahren erfüllen die Genauigkeitsanforderungen von EMV-Simulationen.
Die Anforderungen an IC-Gehäusemodelle zum Einsatz in EMV-Simulationen gehen weit über das hinaus, was in der funktionalen Verifikation typischerweise verwendet wird. Gegeninduktivitäten von Pinschleifen, die drei Größenordnungen unterhalb der Eigeninduktivität liegen, können bereits zu EMV-Beeinträchtigungen führen. Es wird gezeigt, dass die Vorhersage von RF-Emissionen des DC/DC-Wandlers einen Fehler von bis zu 19 dB aufweisen kann, wenn die magnetische Abschirmung durch die PCB-Massefläche vernachlässigt wird. Der vorgestellte neuartige Ansatz kann eine große Anzahl kleiner Gegeninduktivitäten von Pinschleifen mit hoher Genauigkeit berücksichtigen.
In dieser Arbeit werden die Induktivitäten sowie die induktiven RF-Verluste in der Leistungsverdrahtung experimentell quantifiziert und mittels Feldsimulation und Parasitenextraktion nachgebildet. In zukünftigen Hochfrequenzerweiterungen des DPI-Tests könnten interne Resonanzen, deren Resonanzschärfe von den RF-Verlusten abhängt, an Bedeutung zunehmen. Es wird demonstriert, wie Wirbelstromverluste in der Metallisierung genutzt werden können, um diese Resonanzen zu dämpfen. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein flexibles Substratextraktionswerkzeug entwickelt. Dieses zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die genaue Semantik des Feldmodells transparent und dem Benutzer zugänglich ist. Außerdem dient ein neuartiges Markierebenenkonzept dazu, den Detaillierungsgrad des Modells genau zu kontrollieren. Dieses Markierebenenkonzept sowie eine neuartige Kompressionstechnik für ₃D-Netze (S-EHRFEM) erlauben es, die Simulatorlaufzeit stark zu reduzieren.
Der entwickelte Test-IC enthält einen DC/DC-Wandler (betrieben mit 3 MHz) und einen digitalen Störer (betrieben mit 32 MHz), welche beide als Störquellen wirken können. Die RF-Emissionen werden an den drei unterschiedlichen Transceiverpins evaluiert, jeweils im rezessiven sowie im dominanten Buszustand. Im gesamten Frequenzbereich von 3 MHz bis 1 GHz erreichen die Simulationen der RF-Emissionen des DC/DC-Wandlers eine gute Genauigkeit, mit Abweichungen typischerweise unterhalb ±6 dB. Die beteiligten RF-Kopplungsmechanismen werden im Detail analysiert. Diese Diskussionen werden durch eine maschinelle Vereinfachung mittels Sensitivitätsanalyse ermöglicht, und sie bauen auf niedrigdimensionalen Substratmodellen auf, in welchen die n-Epitaxieschicht als Äquipotentialfläche angenähert wird. Außerdem werden verschiedene Gegenmaßnahmen getestet und diskutiert. Zum Beispiel wurde durch Experimente bestätigt, dass eine Abtrennung der Digitalmasse sehr effektiv ist, und eine Emissionsreduktion von 31 dB bei 50 MHz und 15 dB bei 300 MHz erzielen kann.
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