URSI-Türkiye-2006 Bildirilerinin Yazım Kuralları

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Tümdevrelerde Elektromanyetik Uyumluluk için Besleme Uçlarının
Empedansının Modellenmesi
Muhammed Emin BAŞAK, Ayten KUNTMAN
İstanbul Üniversitesi
Eletrik -Elektronik Mühendisliği Bölümü
Avcılar, İstanbul
[email protected], [email protected]
Özet: Bu çalışmada besleme/toprak uçlarının elektromanyetik girişimin ana kaynağı olduğu temel alınarak
tümdevrelerin elektromanyetik iletim yayınımı modellemek için besleme empedansını ölçebilecek devre
tasarlanmıştır. Tümdevrenin besleme uçlarından giriş empedansını ölçmek için mikrodenetleyici içeren test
devresi tasarlanmış ve baskı devresi hazırlanmıştır. Test devrelerinin besleme uçlarına ait giriş empedansları
10MHz-2GHz frekans aralığında network analizör kullanılarak iki farklı yöntemle ölçülmüştür. Ölçüm
yapılmayan besleme uçlarının önce açık devre
sonra ise 50Ω yük bağlanarak yapılan ölçümler
karşılaştırılmıştır. Nesne silme yöntemiyle iletken yolların empedans etkileri ölçümden çıkarılmıştır. Ölçülen Sparametrelerinden Z-parametreleri elde edilmiştir.Ölçümlerden elde edilen empedans eğrileri modifiye genetik
algoritma kullanılarak pasif RLC devresi olarak tasarlanmıştır. Ölçüm ve tasarım sonuçları karşılaştırılmıştır.
Abstract: This paper deals with the modeling of conducted electromagnetic emissions of integrated circuits
power/ground terminals based on the main source of electromagnetic interference. The test circuits were
designed and printed circuit boards were prepared to measure the input impedance at the power supply pin of
the integrated circuit. S-parameters measurement of the test circuit was performed by network analyzer with two
different ways in the frequency range from 10 MHz to 2 GHz. All the other power supply pins were firstly openended and then they were ended by 50Ω load.Measurements were compared. After being deleted all the
impedance effects by the de-embedding technique, the passive RLC circuit was extracted by using modified
genetic algorithm.The model results were compared to the measurement results.
1. Giriş
Elektronik sistemler için elektromanyetik girişimlerden korunma artan tümleştirme çalışmaları ile karmaşık bir
hal almıştır. Sistemlerin çalıştığı ortamda beklendiği gibi düzgün çalışabilmesi çok önemlidir. Bu nedenle
donanımların üretimden önce elektromanyetik uyum performansının bilinmesi şarttır. Araştırmacılar
elektromanyetik uyumluk (EMU) ile ilgili yaptıkları çalışmalarda çözüm için baskı devrelere, bağlantı yollarına
ve kablolara odaklanmışlar, sadece bunlarla ilgili çözüm önerilerini dile getirmişlerdir [1]. Oysaki bir sistem ya
da donanımdaki elektromanyetik girişimin ana kaynağını, tüm sisteme gerekli besleme akım ve gerilimleri
sağladığı ve yönettiği düşünüldüğünde, tümdevreler oluşturur. EMU’nun tümdevreler açısından önemli olması
yeni tasarım teknikleri ile birlikte sayısal işaretlerdeki yükselme ve düşme zamanlarının giderek kısalması, bant
genişlikleri ile birlikte sistemlerin birbirlerine olan etkilerinin artması, tümdevrelerin transistor sayılarının
artması, yüksek tetikleme frekansları, dinamik akım tüketimlerinin artması ve devrelerin karmaşıklığının artması
olarak sıralanabilir [1-2].
Bu çalışmada girişimin ana kaynağı olarak besleme/toprak uçları olduğu temel alınarak tümdevrelerdeki
elektromanyetik iletim yayınımının modellenmesi için pasif devre tasarımı yapılmıştır. Elektromanyetik iletim
yayınımının modellenmesinde tümdevre olarak MC9S12XDP512MAG mikrodenetleyicisi seçilmiştir.
Tümdevrenin besleme uçlarının empedanslarını ölçmek için test devresi hazırlanmış ve ölçümler devre analizörü
kullanılarak 10 MHz ile 2 GHz frekans aralığında yapılmıştır. Ölçüm yapılmayan besleme uçlarının önce açık
devre sonra ise 50Ω yük bağlanarak, ölçümler iki farklı şekilde gerçeklenmiştir. Daha sonra; kullanılan test
devresi üzerindeki tümdevrenin besleme ucu ile SMA konnektörü arasındaki yolun empedans etkisi nesne silme
(de-embedding) tekniği kullanılarak silinmiştir. Nesne silme tekniği uygulandıktan sonra elde edilen S11
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
parametrelerinden Z11 parametrelerine dönüşüm yapılmıştır. Tasarımın ölçüm sonuçları ile tam uyumlu olması
için modifiye genetik algoritma kullanılarak RLC devresi tasarlanmış ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır.
2. Malzeme ve Yöntem
Bu çalışmada tümdevre olarak MC9S12XDP512MAG mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Freescale yarıiletken
ailesinin bir ürünü olan mikrodenetleyici 0.25 µm CMOS teknolojisi ile üretilmiş olup özellikle otomotiv
sektöründe kullanılmaktadır. Yapı içerisinde analog-dijital çevirici, osilatör, PLL (phase locked loop) ve merkezi
işlem birimi (CPU) yer almaktadır. Çalışma frekansı 25 MHz olan tümdevre için 144 uçlu LQPF kılıf
kullanılmıştır [3]. Mikrodenetleyicinin besleme uçlarından empedans ölçümü yapılabilmesi için Şekil 1 (a)’daki
baskı devre şeması hazırlanmıştır. Test devresi, FR4 malzemeden çift yüzlü baskı devre (PCB) olup 1.6 mm
kalınlığındadır, üzerindeki bakır yolların derinliği 35µm ve bağıl dielektrik katsayısı ise ɛr = 4,6’dir. Test
devresinin ölçümü yapılacak besleme uçlarını SMA konnektörüyle bağlayan yolların uzunlukları Şekil 1 (a)’da
görülebilir. Tasarımı yapılan test devresine SMA konnektörler takıldıktan ve mikrodenetleyici lehimlendikten
sonraki son hali Şekil 1 (b)’de gösterilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 1. Tasarımı yapılan (a) şema, (b) test devresi.
Tümdevrenin besleme uçlarından devre analizörü ile ölçüm yapılırken diğer besleme uçlarından bir etki
gelmemesi için Şekil 2 (a)’da gösterilen Z0=50Ω yükler ile sonlandırılmışlardır. Tümdevrenin besleme
uçlarından empedans ölçümü Şekil 2 (b)’de gösterildiği gibi test devresi aracığıyla devre (network) analizörü
kullanılarak yapılmıştır. Bu ölçüm ile tümdevrenin besleme uçlarına ait Saçılma (S) parametre değerleri elde
edilmiştir. Empedans ölçümü 10 MHz – 2 GHz frekans aralığında Rohde & Schwartz ZVB-14 (10MHz- 14
GHz) model vektör devre analizörü ve Agilent E8363B PNA vektör devre analizörü ile farklı zaman dilimlerinde
yapılmıştır. Ölçümde ZV-Z193 numaralı HF-3.5 mm kablo kullanılmıştır. Kalibrasyon ZV-Z135 numaralı 3.5
mm kalibrasyon kiti aracılığıyla, sırasıyla Open-Short-Match şeklinde kalibre edilerek 401 nokta için 10 MHz2GHZ frekans aralığında gerçekleştirilmiştir. Ölçüm sırasında tümdevreye herhangi bir besleme işareti
uygulanmamıştır.
(a)
(b)
Şekil 2. (a) Kullanılan yükler (Z0=50Ω), (b) ölçüm.
3. Sonuçlar
Ölçümü yapılacak besleme ucu SMA konnektör yardımıyla devre analizörüne bağlanmış ve diğer tüm besleme
uçları Z0=50Ω yükleri sonlandırılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçüm yapılırken diğer besleme uçları açık devre
olarak bırakılmasıyla elde edilen sonuçlar ile tüm besleme uçları Z0=50Ω yükleri sonlandırılarak yapılan
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
sonuçlar VddPLL besleme ucu için Şekil 3. (a)’da verilmiştir. Şekilden de görüleceği gibi yük bağlanarak elde
edilen ölçümlerde, yüksüz durumda yapılan ölçümlerde görülen bazı küçük bozukluklar giderilmiştir.
Çalışmamızda genetik algoritma (GA) pasif RLC devresinin tasarımı sırasında alternatif bir yol olarak
kullanılmıştır. Ancak genetik algoritma literatürde kullanıldığı haliyle [4-6] değil de akış diyagramı ve
parametrelerinin işleyişinde bazı değişiklikler yapılarak modifiye genetik algoritma (MGA) olarak uygulanmıştır
[7]. Uygulanan modifiye genetik algoritma sonrası elde edilen pasif RLC devresi ve eleman değerleri Şekil 4’de
verilmiştir. Ölçüm sonuçları ile MGA ile elde edilen pasif RLC devresinin sonuçlarının karşılaştırılması Şekil 3
(b)’de görülmektedir. MGA ile tasarlanan RLC devresi ile ölçüm sonuçları arasındaki 330 MHz’e kadar olan
hata oranı %0.19 olarak bulunmuştur. Bu oran [4]’deki analitik yöntemde bulunan sonuca göre oldukça iyidir.
(a)
(b)
Şekil 3. (a) Ölçüm yapılırken diğer beslemeler açık devre (noktalı çizgi), Z0 = 50 Ω yük bağlanmış (düz çizgi),
(b) Ölçüm ve MGA ile tasarlanan RLC devresinin empedans eğrilerinin karşılaştırılması.
Şekil 4. Modifiye genetik algoritma ile tasarlanan pasif RLC devresi.
4. Tartışma
Bu çalışmada tümdevrelerin elektromanyetik iletim yayınımı modellemek için besleme empedansını ölçebilecek
devre tasarlanmıştır. Ölçüm yapılmayan besleme uçları öncelikle açık devre bırakılarak ölçülmüş, sonra ise
50Ω yük bağlanarak yapılan ölçümler karşılaştırılmıştır. Yük bağlanarak elde edilen ölçümlerde, yüksüz
durumdaki bazı küçük bozuklukların düzeldiği görülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre pasif devre gerçeklenmiş
ve elde edilen devre modifiye genetik algoritma kullanılarak optimize edilmiştir. Modifiye genetik algoritma
kullanılarak tasarlanan RLC devresi ile ölçüm sonuçları arasındaki hata oran %0.19 olarak bulunmuştur.
Kaynakları
[1] Dhia S. B., Ramdani M., ve Sicard E. “Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits—Techniques
for Low Emission and Susceptibility”, Springer-Verlag, ISBN 0-387-26600-3, 2006.
[2] Ramdani, M., Sicard, E., Boyer, A., Dhia, S. B., Whalen, J.J., Hubing, T.H., Coenen, M., Wada, O., “The
electromagnetic compatibility of Integrated Circuits-past-present-future”, IEEE Transactions on
Electromagnatics Compatibility,vol. 51, no. 1, sayfa 78 -100, 2009.
[3]. MC9S12XDP512 Katalog, Freescale Semiconductor, http://www.freescale.com.
[4]. Başak, M. E., Kuntman, A., “RLC circuit extraction with the differential evolution algorithm for conducted
electromagnetic emission model of integrated circuits”, Turk. Journal of Elec. Electronics and Comp., DOI:
10.3906/elk-1307-87, 2013.
[5]. Başak, M. E., Kuntman, A., Kuntman H., “Extraction of BSIM3V3 Threshold Voltage and Mobility Effect
Parameters with Genetic Algorithm”, ELECO 2007: The 5th International Conference on Electrical and
Electronics, (Electronics), sayfa 75-79, 5-9, Bursa, Türkiye, 2007.
[6]. Mitchell, M., “An Introduction to Genetic Algorithms”, MIT press, 1996.
[7]. Başak, M. E., Kuntman, A., Kuntman H. H., “MOSFET Spice parameter extraction by modified genetic
algorithm”, Informacije MIDEM-Journal of Microelectronics, Electronic Components and Materials, Sayı
44, No. 2, 142-151, 2014.