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

Nobert, Gabriel (2024). GHz-range characterization and modeling of power integrity in SiP for an array of switch-mode converters. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The trend of miniaturization has been spread to a vast variety of circuits. Among those, there is a need to integrate in a more compact way power electronic circuits and switch-mode converters. Accordingly, the concept of Configurable Power Input and Output System (CPIOS) is introduced. Such a system integrates into the same compact substrate switch-mode converters, sensitive analog circuits for control and readback together. That type of system brings new challenges in terms of power integrity. Indeed, the switching activity from the switch-mode converters generate noise onto the power rails of the CPIOS, thereby impeding the performances of the more sensitive circuits. There is a need to predict voltage fluctuations generated by the switching activity of one or multiple converters switching simultaneously onto those more sensitive circuits, in terms of shape, peak amplitude and power spectral density, in order to assess the degradation of the performances. Moreover, multiple converters may switch simultaneously in CPIOS, increasing the complexity of predicting that noise. Furthermore, the characterization of the current is equally important in order to assess power integrity due to it being the main noise generation mechanism. Therefore, there is also a need for embedded current measurement technique with minimal required on-board provisions and a bandwidth better than available from the state-of-the-art techniques.

The main objective of this research is to model power integrity constraints in CPIOS based on the different operating conditions and a thorough characterization of the system. The first specific objective is to characterize the switching currents in power converters for the CPIOS, which are critical for predicting power integrity with high bandwidth. Accordingly, a transmission-linebased current measurement technique is proposed. A thorough analytical formulation of the behavior of the structure shows that its measurement distortion can be predicted at up to multiple GHz and that the probing pad can be placed at any convenient location on the substrate without affecting measurement distortion. Measurements with the transmission-line-based structure validated with the well-known resistive shunt technique show that the current in a switch-mode converter can be characterized at up to 1.95 GHz with less than 3 dB measurement distortion. Such results are an improvement over the state of the art in terms of frequency, compactness and ease of implementation of the embedded technique. The second specific objective is to predict fluctuations onto the power rails of sensitive circuits, in terms of shape and energy spectrum. For that purpose, a model for power integrity and voltage fluctuations during simultaneous switching of the converters on power rails is presented. For every condition validated, accuracy better than 10 dB is obtained between 0 and 2 GHz by comparing a measured reference signal and predictions when the fluctuations caused by a single or multiple converters are measured. In terms of overall shape, the variance-normalized mean squared error (NMSE) in the worst case is of 0.624 and under numerous conditions better than 0.25. This model is the first of its kind to predict power integrity in the context of power converters at up to multiple GHz.

Titre traduit

Caractérisation et modélisation à plusieurs GHz de l’intégrité de la puissance dans un SiP pour une matrice de convertisseurs à commutation

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 143-149).
Mots-clés libres:	convertisseur à commutation, intégrité de la puissance, SiP, système-dans-un-boîtier
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Blaquière, Yves
Codirecteur:	Codirecteur Constantin, Nicolas
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2024 14:01
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:01
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3473

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