Thesis defence of Pierre Malbec (RMS team): Switched-mode power supply impact on a Bluetooth Low Energy receiver inside a microcontroller

Pierre MALBEC - RMS team

Direction of the thesis
Jean-Daniel ARNOULD - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP/TIMA
Christian VOLLAIRE - Co-thesis director - Full professor - Ecole Centrale de Lyon
Jean-Marc DUCHAMP - Co-thesis supervisor - Associate professor - G2ELAB

Composition of the jury
Jean-Daniel ARNOULD - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP/TIMA
Hervé BARTHÉLÉMY - Rapporteur - Full professor - Université de Toulon
Françoise PALADIAN - Rapporteur - Full professor - Université Clermont-Auvergne
Jean-Luc SCHANEN - Examinator - Full professor - Grenoble INP
Bruno ALLARD - Guest - Full professor - INSA Lyon
Yannis LE GUENNEC - Guest - Associate professor - Grenoble INP

Title: Switched-mode power supply impact on a Bluetooth Low Energy receiver inside a microcontroller
Keywords: electromagnetic interference,power conversion,wireless communication,microcontrollers,CMOS integrated circuits,system modeling
Abstract: With the growth of the internet of things market, the demand for low-power general-purpose microcontrollers that also integrate wireless connectivity solutions is constantly increasing. In this regard, STMicroelectronics developed a microcontroller that integrates a high-efficiency DC/DC converter (a switched-mode power supply (SMPS)) as well as a Bluetooth Low Energy (BLE) transceiver. An issue has been identified with this product. When the SMPS is enabled to reduce power consumption, a decrease in the performance of the BLE receiver can be measured; its sensitivity is degraded. The objective of this work is to identify, understand, describe, and quantify the noise mechanisms induced by the activity of the SMPS that cause the sensitivity loss in the BLE receiver. The aim is to give a good overview of the issue regarding electromagnetic interference impact on the RF receiver and propose guidelines or solutions to ensure cohabitation inside a unique system-on-chip of a non-linear DC/DC power converter and a wireless connectivity solution. Ensuring the correct operation of the SMPS and the BLE receiver within the microcontroller is critical for the targeted market. Different approaches were used to conduct this research. The methodology consists of the combined utilization of theoretical analysis of occurring phenomena, transistor-level electrical circuit simulation of the system, and measurement of interference propagation and receiver performance. The goal is to understand the mechanisms linked to interference generation and the factors that determine their spectral content. Another aspect of this work includes an innovative approach intended to develop a high-level model of the system that allows the simulation of receiver sensitivity in the presence of interference. The development of the model is based on circuit simulation and aims to identify interference propagation paths towards the BLE receiver or flaws in its design. The analysis of interference generation and propagation reveals a critical resonance, causing a degradation of the BLE receiver sensitivity. The identification of the parasitic elements that define its frequency provides a way to reduce the impact of the SMPS on the receiver performance by shaping the interference. The simulation of the receiver sensitivity by the high-level model indicates a strong impact of the interference via a specific terminal of the receiver analog circuitry. It highlights a flaw in the BLE transceiver design and introduces a lever to improve its robustness against interference. The thesis proposes a deep analysis of interference generation by the SMPS, their propagation towards the BLE receiver, and their impact on its performances. The results can be extrapolated to help understand issues with the integration in a single integrated circuit of any non-linear DC/DC power converter or any wireless connectivity solution.

Titre : Impact des pollutions d'une alimentation à découpage sur un récepteur Bluetooth Low Energy au sein d'un microcontrôleur
Mots-clés : interférence électromagnétique,conversion de puissance,transmission sans fil,microcontrôleurs,circuits intégrés CMOS,modélisation système
Résumé : Avec la croissance du marché de l'internet des objets, la demande de microcontrôleurs basse consommation intégrant également des solutions de transmission sans fil augmente constamment. À cet égard, STMicroelectronics a développé un microcontrôleur qui intègre un convertisseur DC/DC à haut rendement (une alimentation à découpage (SMPS)) ainsi qu'un transceiver Bluetooth Low Energy (BLE). Un problème a été identifié sur ce produit. Lorsque le SMPS est activé pour réduire la consommation d'énergie, une diminution des performances du récepteur BLE peut être mesurée ; sa sensibilité est dégradée. L'objectif de la thèse est d'identifier, comprendre, décrire et quantifier les mécanismes de bruit induits par le SMPS et causant la perte de sensibilité du récepteur. L'objectif est de donner une vue d'ensemble de la question concernant l'impact des interférences électromagnétiques sur le récepteur RF et de proposer des directives ou des solutions assurant la cohabitation à l'intérieur d'un unique système sur puce, d'un convertisseur de puissance non linéaire et d'une solution de connectivité sans fil. Assurer le bon fonctionnement de ces deux fonctions au sein du microcontrôleur est essentiel pour le marché ciblé. Différentes approches ont été utilisées pour mener ces travaux. La méthodologie consiste en l'utilisation combinée de l'analyse théorique des phénomènes en jeu, de la simulation électrique niveau transistor et de la mesure de la propagation des interférences ou des performances du récepteur. L'objectif est de comprendre les mécanismes liés à la génération d'interférences et les facteurs déterminant leur contenu spectral. Un autre aspect de ce travail comprend une approche novatrice visant à élaborer un modèle haut niveau du système permettant la simulation de la sensibilité du récepteur en présence d'interférences. Le développement est basé sur les simulations électriques et vise à identifier les chemins de propagation des interférences ou les défauts de conception du récepteur. L'analyse de la génération et de la propagation d'interférences révèle une résonance critique, provoquant une dégradation de la sensibilité du récepteur. L'identification des éléments parasites définissant sa fréquence fournit un moyen de réduire l'impact du SMPS sur les performances du récepteur. La simulation de la sensibilité du récepteur par le modèle haut niveau indique un fort impact des interférences via un terminal spécifique du circuit du récepteur. Il met en évidence un défaut dans la conception du transceiver BLE et apporte des leviers d'actions pour améliorer sa robustesse face aux interférences. La thèse propose une analyse approfondie des interférences générées par le SMPS, de leur propagation et de leur impact sur le récepteur BLE. Les résultats peuvent être extrapolés pour la résolution de problèmes liés à l'intégration dans un circuit intégré de tout convertisseur de puissance non linéaire et de toute solution de connectivité sans fil.