Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 68 réf.

Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2006. / Contient 1 glossaire. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque partie. Bibliogr. de l'auteur p. 181.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 66 réf.

Un facteur clé des systèmes portables, tels que les téléphones mobiles, est l'autonomie de la batterie qui dépend essentiellement de la source d'énergie, mais aussi de la façon dont sont gérés la tension et le courant qu'elle délivre, facteurs relatifs au régulateur et à son rendement. Les autres critères sont bien sûr la compacité et le coût, d'où la nécessité d'intégrer ces régulateurs de tension. Le premier chapitre présente brièvement trois types de régulateurs, ainsi que les contraintes imposées par les composants externes et la technologie de fabrication. Après avoir expliqué l'utilité de passer à une réalisation en technologie CMOS, le deuxième chapitre décrit le schéma final d'un régulateur linéaire (LDO, Low Drop-out), puis détaille sa stabilité et sa protection contre les courts-circuits. Pour cela, nous expliquons dans les deux cas la méthode habituellement utilisée, nous montrons ses limites dans le cadre de notre application, puis nous développons la solution adoptée qui consiste en une compensation Miller s'adaptant au courant de sortie pour sa stabilité et en un asservissement du courant de sortie plus performant pour limiter le courant de court-circuit. Des mesures sur silicium ont permis de valider les simulations effectuées lors de cette conception. Les alimentations à découpage sont une alternative à ces régulateurs linéaires, et procurent la possibilité d'élever la tension de batterie, mais nécessitent des éléments inductifs difficilement intégrables. Une étude de comportement statique permet de déterminer les pertes et le rendement de la structure choisie pour répondre à notre cahier des charges. L'analyse de sa stabilité par sa fonction de transfert complète ce chapitre. Les systèmes à pompe de charges sont abordés de façon succincte. Egalement basés sur le principe du découpage, ils sont un compromis entre les deux précédents principes et permettent, moyennant des pertes supplémentaires, d'éviter l'utilisation des composants inductifs.

L'étude des différents phénomènes d'Intégrité de Signal (IS) a nécessité la mise en oeuvre d'un véhicule de test (VT) spécifique, conçu suivant des contraintes industrielles. La carte réalisée présente un environnement complexe avec des zones à haute densité d'interconnexions (HDI) et permet d'étudier l'ensemble des phénomènes IS. Une première partie a permis d'étudier les variations sur l'impédance caractéristique des pistes provoquées d'une part par le procédé de fabrication et d'autre part par les contraintes d'un routage HDI. L'impact de ces désadaptations a ensuite été quantifié. L'étude de la diaphonie a nécessité la mise en place d'un modèle de simulation simplifié pour valider la méthodologie utilisée par l'outil d'analyse de la suite Cadence. Les simulations ont ensuite été confrontées aux résultats de mesures pour étudier la validité de l'outil et pour définir la configuration à mettre en oeuvre, afin que les simulations soient représentatives des signaux réels. Une dernière partie est consacrée à l'étude de l'intégrité des alimentations. Les résultats de simulations issus de l'outil Power Integrity sont comparés aux résultats de mesures effectuées sur le VT en utilisant un VNA. Le réseau de découplage est caractérisé par son impédance dans une analyse fréquentielle. Nous avons étudié la caractérisation des plans d'alimentations, des modèles de condensateur ainsi que les inductances parasites introduites par le placement et le routage. Enfin, une étude a été effectuée pour optimiser le placement des condensateurs de découplage sur le circuit imprimé tout en limitant l'apparition d'inductances parasites.

L’objectif de cette étude est de développer une alimentation multisources exploitant la complémentarité batterie/supercondensateurs pour gagner en masse sur le stockage de l’énergie électrique embarquée à bord des aéronefs et des véhicules spatiaux. L’étude se déroule en trois parties :Dans la première partie, un outil d’aide à la décision permettant développer une alimentation hybride pour une application donnée est présenté. Cet outil a pour but d’estimer la masse optimale d’une alimentation hybride à partir des seules informations d’énergies spécifiques et puissances spécifiques des sources candidatesLa deuxième partie de l’étude s’appuie sur la complémentarité d’une étude bibliographique sur le comportement interne des supercondensateurs, couplée avec une campagne expérimentale de caractérisation et de vieillissement des supercondensateurs, pour construire et identifier les modèles multiphysiques de références commerciales de supercondensateurs nécessaires à l’optimisation fine du dimensionnement de l’alimentation hybride.À partir du modèle des sources, la troisième et dernière partie de cette étude a pour objectif de présenter la conception d’une architecture électrique répondant au besoin. En particulier, l’alimentation hybride proposée dans cette partie exploite dynamiquement et au maximum de leur capacité chacune des deux sources, tout en prenant soin de ne pas les contraindre excessivement. De par cette manière de faire, on se prémunit contre d’éventuelles défaillances des sources liées à leur utilisation abusive / The aim of this study is to develop an hybrid power supply using the complementarities between batteries and supercapacitors in order to improve the mass of electrical storage systems on aircrafts and spacecrafts.The study is divided into three parts: In the first part, a decision-making tool to develop a hybrid power supply given a mission profile is presented. Thanks to this tool, an estimation of the optimal mass of the hybrid power supply is done based only on the specific energy and the specific power of the sources.The second part is firstly composed of a synthesis of bibliography results on the internal behavior of supercapacitors; secondly an experimental test campaign is described. Its aim is characterizing, modeling and identifying the multiphysics behavior and ageing of supercapacitors on several commercial references. Those models are required for the fine sizing optimization of the hybrid power supply. Basing on the internal model of the sources, the aim of the third part of this study is to present the development of an hybrid architecture battery/supercapacitors which fulfills the electrical need for a specific application. This hybrid power supply takes dynamically advantage of the electrical sources at the maximum of their possibilities, but without overstressing them at the same time. Thanks to that, the aging rate of the sources and the failure rate of the system are limited

Ce travail de recherche intitulé " Contribution à la modélisation de l'Intégrité des Alimentations dans les System-in-Package", effectué chez NXP semi-conducteurs, se propose d'étudier l'intégrité des alimentations et des signaux dans un système complexe tel que le System-in-Package(SiP), les System-on-Chip(SoC) ou autres (PoP,...). C'est-à-dire la générations de perturbations électromagnétiques conduites dues à l'activité d'un système complexe sur son environnement d'intégration. Un bilan de puissance statique et dynamique permet de considérer l'influence de l'activité des fonctions numériques sur le système SiP. L'activité dynamique est représentée sous forme de profils canoniques caractérisés par la technologie de conception des fonctions logiques. Cette représentation en base tient compte du cadencement multi fréquentiel (ou multi-harmonique) du système. Un logiciel a été développé permettant d'extraire un profil d'activité numérique définit suivant la géométrie de la fonction, sa technologie et ses fréquences d'activation. Les fonctions analogiques et le réseau passif d'interconnexions sont modélisés au travers de fonctions de transfert et validés par une approche expérimentale (domaine fréquentiel et temporel) et en simulation. Cette analyse a permis de souligner les potentialités de la modélisation BBS (Broad Band Spice Model). Ceci a permis une modélisation multi-port globale de l'environnement d'intégration modélisé depuis le PCB jusqu'aux fonctions actives (PCB-Boitier-interconnexions-circuits). Les modèles extraits sont utilisables dans un environnement SPICE où l'ensemble du système est modélisé dans un environnement unique. La CO-MODÉLISATION et la CO-SIMULATION GLOBALES permettent la proposition de règles de conception et l'optimisation du découplage souligné par le potentiel du substrat de report PICS (Passive Integrating Component Substrate).

Depuis des années, les avionneurs sont engagés pour la réduction de l’empreinte environnementale à travers le développement de nouveaux concepts. Ainsi, le remplacement des systèmes hydrauliques (hydraulicless) et pneumatiques (bleedless) de l’avion par des systèmes électriques sont envisagés d’où l’apparition du concept d’avion « plus électrique ». Toutefois, les gains espérés (diminution du coût, de la consommation de carburant ou de la masse) suite à cette substitution ne sont pas si faciles à obtenir, car les technologies précédentes ont bénéficié de plusieurs dizaines d’années de développement et d’optimisation. Les solutions électriques nouvellement proposées doivent donc elles aussi être très abouties pour être véritablement concurrentielles ; tous les degrés de liberté doivent être envisagés, qu’il s’agisse des technologies ou des architectures. En particulier, l’usage d’un nouveau réseau HVDC (540 V) semble être une solution prometteuse. A partir de ce réseau HVDC, les différentes charges AC triphasées sont alimentées par une série d’onduleurs génériques. Compte tenu de la disparité des consommations pendant les différentes phases de vol, le même onduleur peut servir à alimenter plusieurs charges. La connexion entre les onduleurs et les charges est gérée par une matrice de contacteurs. Cette solution innovante considère également des cas de redondance pour augmenter la robustesse de la solution. La conception de ce nouveau système est présentée dans ce rapport de thèse. Le compromis optimal entre le nombre d’onduleurs et la puissance nominale de chaque onduleur doit être obtenu. Ce choix déterminera fortement la taille de la matrice de contacteurs. Cependant, pour adresser cette problématique, il est nécessaire de connaître la masse des différents composants en fonction de la puissance requise. Un environnement de conception est ainsi créé dans le but de réaliser le dimensionnement optimal de convertisseurs de puissance. Les différents composants sont décrits utilisant une approche « directe » et sont codés sous le formalisme « orienté-objet ». Ces modèles sont ensuite validés expérimentalement ou par simulation numérique. Les différents modèles sont couplés à un environnement d’optimisation et à un solveur fréquentiel qui permet une résolution rapide des formes d’ondes du régime permanent. L’environnement d’optimisation réalise le dimensionnement précis des différentes parties de l’onduleur : dissipateur, module de puissance, filtre côté continu et inductance de couplage. Un onduleur est proposé pour différentes puissances nominales et fréquences de découpage. L’optimisation adresse également le choix des différentes technologies. Finalement, les résultats sont utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre nombre d’onduleurs et puissance de l’onduleur à partir d’un algorithme heuristique. / In recent years, aircraft manufacturers have been making progress in the design of more efficient aircrafts to reduce the environmental footprint. To attain this target, aircrafts manufactures work on the replacement of the hydraulic and bleed systems for electrical systems leading to a “More Electrical Aircraft”. However, the expected mass gain is a challenge, as previous technologies have been developed and optimized for decades. The new electrical solutions need to be look into detail to be competitive with previous technologies. All degrees of freedom must be considered, that is, new technologies and architectures. In particular, an HVDC network that reduces the number of rectifier stages seems a promising solution. From the HVDC network, the different three phase AC loads will be supplied by a series of power generic inverters. As the power consumption of the different loads change during the flight mission, the same inverter is used to supply different loads. The connection between the inverters and the loads is managed by a matrix of contactors. The proposed solution also considers redundant configurations, thus increasing system robustness. The design of the innovative system is presented in this document. That is, determining the optimal trade-off between the number of power inverters and the nominal power of each generic inverter that will also impact the size of the matrix of contactors. However, to assess the combinatory problem, the mass of the different components as a function of the nominal power needs to be calculated. A design environment is therefore created to perform automatic and optimized design of power converters. The different components are described using a “direct modelling” approach and coded using “object-oriented” programming. The components are validated experimentally or by numerical simulations. The different models are coupled to an optimization environment and to a frequency solver allowing a fast calculation of the steady-state waveforms. The optimization environment performs the precise design of the different parts of the power inverter: heatsink, power module, DC filter and coupling inductor. The power inverter is designed for different values of nominal power and switching frequency. The optimization assesses as well the usage of different technologies. Finally, the results are used to determine the optimal trade-off between the number of inverters and the nominal power of each inverter using a heuristic algorithm.

Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part.<p><p>Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements.<p><p>Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs.<p><p>Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées.<p><p>Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques.<p><p>D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D.<p><p>Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de recherche intitulé " Contribution à la modélisation de l'Intégrité des Alimentations dans les System-in-Package", effectué chez NXP semi-conducteurs, se propose d'étudier l'intégrité des alimentations et des signaux dans un système complexe tel que le System-in-Package(SiP), les System-on-Chip(SoC) ou autres (PoP,...). C'est-à-dire la générations de perturbations électromagnétiques conduites dues à l'activité d'un système complexe sur son environnement d'intégration. Un bilan de puissance statique et dynamique permet de considérer l’influence de l’activité des fonctions numériques sur le système SiP. L’activité dynamique est représentée sous forme de profils canoniques caractérisés par la technologie de conception des fonctions logiques. Cette représentation en base tient compte du cadencement multi fréquentiel (ou multi-harmonique) du système. Un logiciel a été développé permettant d'extraire un profil d'activité numérique définit suivant la géométrie de la fonction, sa technologie et ses fréquences d'activation. Les fonctions analogiques et le réseau passif d'interconnexions sont modélisés au travers de fonctions de transfert et validés par une approche expérimentale (domaine fréquentiel et temporel) et en simulation. Cette analyse a permis de souligner les potentialités de la modélisation BBS (Broad Band Spice Model). Ceci a permis une modélisation multi-port globale de l'environnement d'intégration modélisé depuis le PCB jusqu’aux fonctions actives (PCB-Boitier-interconnexions-circuits). Les modèles extraits sont utilisables dans un environnement SPICE où l’ensemble du système est modélisé dans un environnement unique. La CO-MODÉLISATION et la CO-SIMULATION GLOBALES permettent la proposition de règles de conception et l’optimisation du découplage souligné par le potentiel du substrat de report PICS (Passive Integrating Component Substrate). / This thesis, performed in NXP Semiconductors, presents an analysis on POWER INTEGRITY and SIGNAL INTEGRITY in complex systems (System-in-Package SiP, System-on-Chip SoC, PoP, etc). This subject takes in account the propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences due to digital activities in power distribution network. A statement of static and dynamic power consumption allows to consider effects of digital activities through a multi-clock and multi harmonic model based on technologies, clocks and geometries of a dedicated functions, blocks or dices. A global distributed CO-SIMULATION/CO-MODELISATION methodology for concurrent/simultaneous analysis of passif distribution network have been successfully applied to a full complex system. An original "power signature" concept is used to model high speed digital modules temporal and spatial distribution of their power switching activity for analog-mixed-digital co-simulations. Analysis of coupling effects at systems level have been studied through access ports with and without active SiP modules. The measured coupling is validated with predicted simulation results based on electromagnetic simulations and broad band SPICE extractions. Correlations are validated between observed spurs in presence of SiP active modules and the behavioral response (transfer function) of the active die multiport, and multi-port de-embedding analysis. The full model of complex system, available in SPICE environnement, allows to analyse propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences on dices, functions and system of the SiP. Thanks to this work, it will possible to supply new design rules and optimize of decoupling capacities values. A dedicated software was elaborated to generate a quick digital activity model easy-to-implement in SPICE environment.