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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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13documents trouvés

18537
17/12/2018

Stockage adaptatif pour noeud de capteur sans fil autonome et sans batterie

F.EL MAHBOUBI

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Décembre 2018, 195p., Président: N.NOLHIER, Rapporteurs: S.BASROUR, S.SISKOS, Examinateurs: C.LETHIEN, Directeurs de thèse: M.BAFLEUR, V.BOITIER , N° 18537

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02009722

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Abstract

Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultracapacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

Résumé

L’autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d’énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l’utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l’énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l’usage de l’énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d’une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s’adapte à l’énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l’une de capacité faible et l’autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d’interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d’abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l’architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d’un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d’énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d’efficacité d’usage de l’énergie, elles permettent d’atteindre jusqu’à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs.

Mots-Clés / Keywords
Stockage adaptif; Supercondensateur; Capteur sans fil; Récupération d’énergie;

146375
18587
11/12/2018

Optimisation de modèles comportementaux de composants pour la prédiction de défaillances fonctionnelles et matérielles liées aux décharges électrostatiques (ESD)

F.ESCUDIE

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Décembre 2018, 195p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.KADI, Examinateurs: J.SCHUTT-AINE, P.BESSE, Directeurs de thèse: F.CAIGNET , N° 18587

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02056013

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Abstract

Electrical Fast Transient (EFT) are one of the concerns of embedded system engineers. They can lead to system malfunction. EFT are the cause of a large number of hardware and software failures. Our study is mainly focused on the impact of Electro Static Discharge (ESD) on embedded electronic systems, focusing on car’s applications. According to a Renault’s study, a car can suffer two discharges per day during its entire life. System engineers do not have any tools to predict the ESD impact on the systems. In order to predict the ESD path throughout the electronic system and adjust the ESD protection strategy to provide proper protection for all critical components, some researches around the world are in process. The research results from ESE working group from the LAAS-CNRS laboratory, were mainly on passive components, integrated circuits and electronics boards modeling methods, implemented in VHDL-AMS language. Integrated circuits have an internal ESD protection network that helps to deflect the stress from critical areas. The methodology developed in the last few years allows to model the behavior of this protection network. However, these models are basically made, they are made of the triggering level of the protection and the impedance value of the component depending on the ESD stress amplitude. No information on the transient behavior of the protections is included in this model. It is not possible to predict some failures related to the transient phenomenon of the protection like triggering and turning on time that induce very high overvoltage or mismatch on the current levels estimation. The various topics covered during this thesis allows to solve these problems by using a, proposed dynamic model. Different methods are proposed to extract the parameters used into the dynamic model. One important point also aborted into this document is that the model have to be able to predict the soft failure which can appear in the system during an ESD stress. A dedicated block has been added to the dynamic models to predict data transmission faults during an automotive communication (LIN Bus) under stress conditions. The first part of this thesis is a summary of the different discharge waveforms known and defined by the IEC and ISO standards. It also lists some measurement techniques used to extract information on the component like the robustness level. The second part presents the behavioral models of passive components and integrated circuits. We have shown non-linear behavior of capacitors when they are under EFT stress. The way to extract our dynamic model of ESD protection from electrical measurement on the integrated circuit is included in this part. This model uses the previous model named quasistatic model on which we add elements that describe the transient behavior of the protections. In the third part, we explore different techniques and tools to extract some information about the dynamic behavior of internal ESD protections of the component. We used time domain reflectometry techniques as well as mathematical methods applied in hyper frequency domain like the S parameters and X parameters. Comparison between measurement and simulation is systematically performed for each method to evaluate their efficiency. Finally, the fourth part presents the study of hardware and software failures on integrated circuits used in automotive communication application. Experimental results are used in the component model which is now able to predict both failures.

Résumé

Les événements transitoires de forte puissance (EFT – Electrical Fast Transient) sont l’une des préoccupations des concepteurs de systèmes embarqués. Ils peuvent conduire au dysfonctionnement du système et sont à l’origine d’un grand nombre de défaillances matérielles et fonctionnelles. Notre étude est principalement portée sur l’impact des décharges électrostatique (ESD - Electro Static Discharge) sur l’électronique embarquée dans un véhicule. D’après une étude de Renault, un véhicule peut subir deux décharges par jour durant sa vie. Les ingénieurs systèmes ne disposent pas de moyen pour prédire l’impact de ces décharges dans les systèmes, et les solutions actuelles sont essentiellement basées sur l’expérience. Afin de prédire le chemin d’un ESD dans tout le système électronique et la stratégie de protection à adopter pour protéger les composants les plus sensibles, des recherches dans le monde entier sont en cours. Les travaux de recherche du groupe ESE du LAAS-CNRS ont mené à des méthodologies de modélisation de composant passif, de circuit intégré et de carte électronique en VHDL-AMS. Les circuits intégrés sont dotés d’un réseau de protection ESD interne qui permet de détourner le stress des zones critiques. La méthodologie développée au cours des précédentes années permet de modéliser le comportement de ce réseau de protection. Cependant, ces modèles sont rudimentaires, ils décrivent uniquement le niveau de déclenchement de la protection et son impédance quasi-statique en fonction du niveau de stress ESD. Aucune information sur le comportement transitoire de la protection n’est décrite dans le modèle. Il est donc difficile de prévoir certaines défaillances liées aux phénomènes transitoires de déclenchement des protections faisant apparaître de très fortes surtensions ou des niveaux de courant mal évalués. Les différents aspects abordés durant cette thèse permettent de résoudre ces problèmes en proposant des modèles dynamiques, et différentes méthodes pour pouvoir extraire les paramètres des modèles. Un des points important développé dans ce document et de pouvoir prédire les défaillances fonctionnelles des systèmes. Un bloc dédie a été ajouté aux modèles dynamiques pour prédire des défauts de transmission de données lors de stress ESD dans les bus de communication automobiles (LIN). La première partie de cette thèse concerne le recensement des formes d’onde de décharges connues et définies par les standards IEC et ISO. Elle recense également les techniques de mesures appliquées sur les composants pour en extraire des informations tels que les niveaux de robustesse. La seconde partie présente les recherches menées sur la réalisation de modèles comportementaux de composants passifs et de circuits intégrés. Nous avons montré les comportements non-linéaires des capacités lorsqu’elles sont soumises à des EFT. Le modèle dynamique de protection ESD que nous avons développé à partir de caractérisation électrique sur le circuit intégré y est également présenté. Ce modèle est constitué du modèle précédemment développé (quasi-statique) sur lequel nous rajoutons des éléments qui décrivent le comportement transitoire de la protection. La troisième partie détaille différentes techniques et outils pour extraire des informations sur le comportement dynamique des protections ESD internes aux composants. Nous utilisons des techniques de réflectométrie temporelle ainsi que des méthodes mathématiques appliquées aux hyper-fréquences comme les paramètres S et X. Une validation entre mesure et simulation est systématiquement réalisée à chaque étape. Finalement, la quatrième partie présente l’étude des défaillances matérielles et fonctionnelles sur des circuits intégrés dédiée à la communication automobile. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour enrichir nos modèles qui intègrent désormais la détection de défaillances matérielles et fonctionnelles.

Mots-Clés / Keywords
ESD; EMC; EFT; Modélisation; Modeling;

146757
17470
13/12/2017

Development and validation of a predictive model to ensure the long-term electromagnetic compatibility of embedded electronic systems

C.GHFIRI

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Décembre 2017, Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: B.DEUTSCHMANN, F.VARGAS, Examinateurs: G.DUCHAMP, F.LAFON, Directeurs de thèse: S.BEN DHIA, A.BOYER , N° 17470

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02062116

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Résumé

Avec l’avancement technologique des circuits intégrés à travers la miniaturisation des tailles des transistors et leur multiplication au sein d’une même puce, l’intégration des circuits dans des systèmes embarqués complexes, principalement dans l’industrie aéronautique, spatiale et automobile, rencontre de plus en plus d’exigences en termes de respect des niveaux d’émission et d’immunité. De plus, étant donné que l’évolution des niveaux de Compatibilité Electromagnétique (CEM) des équipements électroniques doit respecter ces exigences à longterme, les marges définis par les industriels sont souvent surestimés et les systèmes de filtrages établis par les équipementiers peuvent être surdimensionnés. De ce fait, pour les circuits intégrés dédiés aux applications embarquées, il est nécessaire d’étudier les deux aspects qui concernent la modélisation CEM ainsi que la modélisation de la fiabilité. Ces dernières années, des standards ont été proposés et permettent la construction de modèles CEM prédictifs tel que ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) et ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). De plus, pour intégrer l’effet du vieillissement dans les modèles CEM, il faut étudier les principaux mécanismes de dégradation intrinsèques aux circuits intégrés qui accélèrent leur vieillissement tels que le HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) et NBTI (Negative Bias Temperature Instability). Des modèles standardisés sont utilisés dans les différents domaines industriels qui permettent la construction de modèle de fiabilité tels que le standard MIL-HDBK-217 et le standard FIDES. Cependant, ils ne permettent de prendre en compte qu’un seul mécanisme de dégradation à la fois. Ce manuscrit de thèse introduit ces aspects de modélisation CEM et de fiabilité. Il traite également la construction d’un modèle d’émission conduite d’un FPGA avec la proposition de nouvelle méthodologie de modélisation. Ensuite, l’étude de la fiabilité du FPGA est décrite à travers l’utilisation d’un nouveau modèle permettant la prise en compte des différents mécanismes de dégradations et a été combiné au modèle CEM pour la prédiction des niveaux d’émissions conduite à long-terme.

Abstract

With the technological evolution of integrated circuits (ICs) through the transistors scaling, which leads to the multiplication of the number of transistors within a chip, the requirements in terms of emission and immunity levels become more restrictive in the aeronautic, space and automotive industries. Moreover, since the evolution of Electromagnetic Compatibility (EMC) levels of electronic equipment after aging must meet the EMC long-term robustness requirements, the EMC margins defined by the manufacturers are often overestimated and the filtering systems designed by the equipment manufacturer could be oversized. Therefore, for the integrated circuits dedicated to embedded applications, it is necessary to study the different aspects of EMC modeling as well as the reliability the modeling. These last years, several standards have been proposed for the construction of predictive EMC models such as ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) and ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). On the other hand, to integrate the effect of aging in EMC models, it is important to study the main intrinsic degradation mechanisms that accelerate the aging of ICs, such as HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) and NBTI (Negative Bias Temperature Instability). For this purpose, there are existing models for the reliability prediction, such as the MIL-HDBK-217 standard and the FIDES standard. However, these models could take into account only the activation of one degradation mechanism. The combination of several degradation mechanisms could be critical for the IC performances and could contribute in the evolution of EMC level. This dissertation introduces the different aspects of EMC and reliability modeling. This work deals with the construction of a conducted emission model of an FPGA and the proposition of new modeling methodologies. Furthermore, the reliability of the tested FPGA is described using a new predictive model, which takes into account the activation of the different degradation mechanisms. The reliability model has been combined with the EMC model for the long-term conducted emission level prediction.

Mots-Clés / Keywords
EMC modeling; Reliability modeling; FPGA; Prediction;

141913
17627
02/06/2017

Analysis and modeling methods for predicting functional robustness of integrated circuits during fast transient events

R.BEGES

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Juin 2017, 168p., Président: , Rapporteurs: G.DUCHAMPS, P.NOUET, Examinateurs: F.LAFON, A.SAUVAGE, P.AUSTIN, Directeurs de thèse: F.CAIGNET, P.BESSE, M.BAFLEUR , N° 17627

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01811079

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Résumé

La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux.

Abstract

Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.

Mots-Clés / Keywords
Electrostatic discharge (ESD); Functional robustness; Electromagnetic compatibility; Integrated circuits; Circuits intégrés; Robustesse fonctionnelle; Compatibilité électromagnétique; Décharges électrostatiques (ESD);

143733
17061
27/02/2017

Etude des couplages substrats dans des circuits mixtes "Smart Power" pour applications automobiles

V.TOMASEVIC

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 27 Février 2017, 226p., Président: E.SICARD, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.RAMDANI, Examinateurs: T.BOUSQUET, R.ISKANDER, Directeurs de thèse: S.BEN DHIA, A.BOYER , N° 17061

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499417

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Abstract

Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit. These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out. The characterization of the substrate coupling of two case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model.

Résumé

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré. Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée. La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat.

Mots-Clés / Keywords
Electronique analogique; Circuits Smart Power; Compatibilité électromagnétique des circuits in; Conception microélectronique; Couplage substrat de puissance; Système de mesure sur puce;

139380
16505
11/05/2016

Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes pour l'aéronautique

P.DURAND ESTEBE

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 11 Mai 2016, 169p., Président: L.ROY, Rapporteurs: S.BASROUR, V.DEJAN, Examinateurs: V.BOITIER, Directeurs de thèse: J.M.DILHAC, M.BAFLEUR , N° 16505

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01481939

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Abstract

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.

Résumé

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Récupération d’énergie; Thermoélectricité; Photovoltaïque; Gestion de l’énergie; Systèmes autonomes sans batterie; Energy harvesting; Thermoelectricity; Photovoltaic; Power management; Battery-less autonomous systems;

138835
15619
07/12/2015

Développement de modèles prédictifs pour la robustesse électromagnétique des composants électroniques

H.HUANG

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 7 Décembre 2015, 240p., Président: J.M.DILHAC, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.J.ROCA ADROVER, Examinateurs: F.CANAVERO, Directeurs de thèse: D.BEN DHIA, A.BOYER , N° 15619

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261471

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Abstract

One important objective of the electromagnetic compatibility (EMC) studies is to make the products compliant with the EMC requirement of the customers or the standards. However, all the EMC compliance verifications are applied before the delivery of final products. So we might have some new questions about the EMC performance during their lifetime. Will the product still be EMC compliant in several years? Can a product keep the same EMC performance during its whole lifetime? If not, how long the EMC compliance can be maintained? The study of the long-term EMC level, which is called “electromagnetic robustness”, appeared in the recent years. Past works showed that the degradation caused by aging could induce failures of electronic system, including a harmful evolution of electromagnetic compatibility. In this study, the long-term evolution of the EMC levels of two electronic component groups has been studied. The first electronic component type is the integrated circuit. The high-frequency currents and voltages during the switching activities of ICs are responsible for unintentional emissions or coupling. Besides, ICs are also very often the victim of electromagnetic interference. Another group of components is the passive component. In an electronic system, the IC components usually work together with the passive components at PCB level. The functions of passive components in an electronic system, such as filtering and decoupling, also have an important influence on the EMC levels. In order to analyze the long-term evolution of the EMC level of the electronic components, the study in this thesis tends to propose general predictive methods for the electromagnetic compatibility levels of electronic components which evolve with time.

Résumé

Un objectif important des études de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de rendre les produits conformes aux exigences CEM des clients ou les normes. Cependant, toutes les vérifications de la conformité CEM sont appliquées avant la livraison des produits finis. Donc nous pourrions avoir de nouvelles questions sur les performances CEM des systèmes électroniques au cours de leur vie. Les comportements CEM de ces produits seront-ils toujours conformes dans plusieurs années ? Un produit peut-il garder les mêmes performances CEM pendant toute sa durée de vie ? Si non, combien de temps la conformité CEM peut-elle être maintenue ? L'étude à long terme de l'évolution des niveaux CEM, appelée "robustesse électromagnétique», est apparue ces dernières années. Les travaux précédents ont montré que la dégradation causée par le vieillissement pourrait induire des défaillances de système électronique, y compris une évolution de la compatibilité électromagnétique. Dans cette étude, l'évolution à long terme des niveaux CEM de deux groupes de composants électroniques a été étudiée. Le premier type de composant électronique est le circuit intégré. Les courants de hautes fréquences et les tensions induites au cours des activités de commutation de circuits intégrés sont responsables des émissions électromagnétiques non intentionnelles. En outre, les circuits intégrés sont aussi très souvent les victimes d'interférences électromagnétiques. Un autre groupe de composants est formé par les composants passifs. Dans un système électronique, les circuits intégrés fonctionnent souvent avec les composants passifs sur un même circuit imprimé. Les fonctions des composants passifs dans un système électronique, telles que le filtrage et le découplage, ont également une influence importante sur les niveaux de CEM. Afin d'analyser l'évolution à long terme des niveaux CEM des composants électroniques, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de proposer des méthodes générales pour prédire l'évolution dans les temps des niveaux de compatibilité électromagnétique des composants électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Electromagnetic robustness; Electromagnetic compatibility; Aging; Degradation mechanisms; EMC modeling; Degradation modeling; Integrated circuits; Passive components; Electromagnetic reliability; Robustesse électromagnétique; Compatibilité électromagnétique; Vieillissement; Mécanismes de dégradation; Modélisation CEM; Modélisation de la dégradation; Circuits intégrés; Composants passifs; Fiabilité électromagnétique;

136015
15582
30/01/2015

Approche systémique pour l’analyse de l’impact des décharges électrostatiques : du composant au système

F.CAIGNET

ESE

Habilitation à diriger des recherches : Janvier 2015, 113p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.KADI, J.S.AINE, Examinateurs: P.GALY, E.SICARD, A.DURIER, N.NOLHIER, Mentor: M.BAFLEUR , N° 15582

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01292134

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Abstract

With the steady increase of semi-conductor technologies and the explosion of embedded systems into severe environments, failures related to ElectroStatic Discharges (ESD) are growing in importance. ESD are power sources of interferences that can cause the destruction of electronic systems or functionality losses reducing reliability. This is even more critical for aeronautic and automotive applications, where people safety depends on the reliability of embedded electronic products. Studies presented in this document report the last eight years of research activity that I carried out within the group ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) then ESE (Energie des Systèmes Embarqués) on the issue of the ESD impact on systems. Facing the complexity of electronic equipment, it is difficult to predict the causes of failures whether hardware or functional. Thank to a systemic approach we present how to predict the ESD impacts through simulation. The proposed methodology is based on the development of dedicated measurement methods and purely behavioral models. The approach gives the opportunity for system level co-design that can be used either by IC founders or equipment manufacturers.

Résumé

De par l’évolution des technologies des semi-conducteurs et la multiplication d’applications embarquées dans des environnements sévères, les défaillances induites par des décharges électrostatiques (ElectroStatic Discharges - ESD) deviennent une préoccupation majeure. Les ESD sont des sources puissantes d’interférences pouvant générer la destruction des systèmes électroniques et des pertes de fonctions, réduisant fortement la fiabilité des équipements. Ceci est d’autant plus critique pour les applications aéronautiques et automobiles où la sécurité des personnes dépend de la robustesse des produits électroniques embarqués. Les travaux présentés dans ce mémoire présentent les huit dernières années d’activité de recherche que j’ai menées au sein du groupe ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) puis ESE (Energie des Systèmes Embarqués) sur la problématique de l’impact des décharges électrostatiques sur les systèmes. Face à la complexité des équipements électroniques, il est aujourd’hui difficile de prédire les causes de défaillance qu’elles soient matérielles ou fonctionnelles. Grâce à une démarche systémique, nous présentons comment prédire par la simulation l’impact des ESD. La méthodologie proposée s’est appuyée sur le développement de méthodes de mesure spécifiques et le développement de modèles purement comportementaux. La démarche ouvre la voie à la Co-conception de systèmes fiables aussi bien utilisables par les concepteurs de circuits intégrés que par les équipementiers.

135934
14615
27/11/2014

Récupération d'énergie aéroacoustique et thermique pour capteurs sans fil embarqués sur avion

R.MONTHEARD

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 27 Novembre 2014, 208p., Président: J.Y.FOURNIOLS, Rapporteurs: S.BASROUR, D.LECLERCQ, Examinateurs: R.M.SAUVAGE, Membres invités: E.PIOT, X.LAFONTAN, Directeurs de thèse: J.M.DILHAC, V.BOITIER , N° 14615

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01110385

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Abstract

This work adresses the issue of energy autonomy within wireless sensor networks embedded in aircrafts, which may be solved through ambient energy harvesting and storage. In a first study, we develop a demonstrator based on thermal gradients energy harvesting, which is designed to supply power to a structural health monitoring system implemented near the engine zone. Thereafter, we introduce a capacitive storage architecture which self-adapts to its own state of charge, aiming at improving its performance in terms of startup time, the energy utilization ratio and under some conditions, the energy transfer. Finally, we report the results of a prospective study on aeroacoustic energy harvesting applied to the relative wind. It is shown that this method exhibits an interesting potential in terms of generated power, then we introduce the design and the realization of an optimized energy management circuit, allowing our technique to supply power to a wireless temperature sensor.

Résumé

Ces travaux portent sur la question de l’autonomie énergétique des capteurs sans fil dans un contexte aéronautique, à laquelle la récupération et le stockage d’énergie ambiante sont susceptibles d’apporter une réponse. Nous étudions dans un premier temps la génération thermoélectrique, destinée à être appliquée au suivi du vieillissement structurel près de la zone moteur, et débouchant sur la réalisation d’un démonstrateur. Nous proposons ensuite une architecture de stockage capacitif qui, en s’adaptant à son état de charge, vise à améliorer la performance de cette solution de stockage en termes de temps de démarrage, de taux d’utilisation d’énergie et sous certaines conditions, de transfert d’énergie. Finalement, nous rapportons les résultats d’une étude prospective sur la récupération d’énergie du vent relatif grâce au phénomène aéroacoustique. Nous montrons que cette méthode présente un potentiel énergétique intéressant, puis nous présentons la conception et la réalisation d’un circuit optimisé de gestion de l’énergie, permettant d’alimenter grâce à cette technique un capteur sans fil de température.

Mots-Clés / Keywords
Récupération d’énergie; Gestion de l'énergie; Capteurs sans fil; Systèmes autonomes sans batterie; Energy harvesting; Energy management; Wireless sensor; Autonomous batteryless systems;

133936
13270
16/07/2013

Etude de la robustesse d'amplificateurs embarqués dans des applications portables soumis à des décharges électrostatiques (ESD) au niveau système

S.GIRALDO

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 16 Juillet 2013, 141p., Président : F.MORANCHO, Rapporteurs : A.REINEX, P.NOUET, Examinateur : P.BESSE, Directeurs de thèse : M.BAFLEUR, F.CAIGNET , N° 13270

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00849735

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Abstract

With improvement in electronic technology shrinking, electronic components are increasingly becoming sensitive to ElectroStatic Discharge (ESD). Nowadays, the reliability of integrated circuits in the manufacturing field are guaranteed by a set of standards that define levels of robustness. Nevertheless the protection strategies implemented in integrated circuits, designed to meet these standards, are not always enough to ensure the robustness of the components in their final application. The new reliability problems are not well understood, given the complexity of the phenomena involved in real systems in operation. Taking into account these facts, we can question the effectiveness of the strategies used to protect against « classical ESD » and system-type stresses. All the work presented in this thesis aims to improve the robustness with respect to these new requirements, in the case study of analog components dedicated to portable applications (telephony, multimedia). Starting from a concrete case, for which there is a large difference in the system ESD robustness between the biased and unbiased product, we will present the various results of analysis (failure analysis, electrical characterization by impulse like TLP VFTLP, SPICE-type simulations) that led us to the proposal of an integrated security solution that meets the requirements.

Résumé

Avec les évolutions technologiques, les composants électroniques deviennent de plus en plus sensibles aux décharges électrostatiques (ESD). De nos jours, la fiabilité des circuits intégrés dans les étapes de fabrication est garantie par un ensemble de normes définissant des niveaux de robustesse. Mais les stratégies de protection implémentées dans les circuits intégrés, visant à respecter ces normes, ne suffisent pas toujours à garantir la robustesse des composants dans leur application finale. Ces nouveaux problèmes de fiabilité ne sont pas encore bien compris, étant donnée la complexité des phénomènes mis en jeu dans un système réel en fonctionnement. En tenant compte de ces faits, nous pouvons nous interroger sur l’efficacité des stratégies de protection contre les ESD utilisées de façon conventionnelle pour protéger contre des stress de type système. L’ensemble des travaux de thèse présentés vise à l’amélioration de la robustesse, quant à ces nouvelles exigences, de composants analogiques dédiés aux applications portables (téléphonie, multimédia). En partant d’un cas concret, pour lequel il existe une grande différence de robustesse entre le produit alimenté et non-alimenté, nous présenterons les différents résultats d’analyse (analyse de défaillance, caractérisation électrique en impulsion de type TLP et VFTLP, simulations de type SPICE) qui nous ont conduits à proposer une solution de protection intégrée respectant les exigences.

Mots-Clés / Keywords
ESD système; IEC 61000-4-2; Amplificateur audio analogique; Robustesse; Electro Static Discharges; Audio amplifiers robustness; System level ESD;

130008
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