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Illustration de problemes de compatibilite electromagnetique (3)

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CETSIS'2005, Nancy, 25-27 octobre 2005
Illustration de problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM)
Antoine Nonclercq1, Cédric Boey1, Grégoire Schaub1, Frédéric Robert1, Pierre Mathys1
Service d'Electronique et de Microélectronique (MiEL) – Université Libre de Bruxelles, CP165/56
50 av. F. Roosevelt, 1050 Bruxelles, Belgique, [email protected]
1
RESUME Cet article présente une illustration des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) dans le but
d’être exposée lors de Travaux Pratiques (TP). Il se divise en trois volets correspondant à trois modes de couplage (galvanique, capacitif ou inductif). Pour chaque volet, une introduction théorique, un dispositif de test illustrant la partie
théorique et un autre illustrant les applications possibles et les règles de bonne pratique sont développés.
Ce travail permet de mettre en évidence des effets de couplage parfois considérés comme de la ‘magie noire’ grâce à
des appareils de mesure et des circuits simples. Ceci constitue un bon outil pédagogique qui permettra aux étudiants de
se familiariser avec les problèmes de CEM, les ordres de grandeur des parasites et les règles de bonne pratique.
Mots clés : Compatibilité électromagnétique, couplages parasites, modes de couplage.
1 INTRODUCTION
Le nombre d’appareils électriques et électroniques présents dans notre environnement a augmenté considérablement ces dernières années, rendant leur cohabitation
de plus en plus délicate. De ce fait, la CEM (compatibilité électromagnétique) est devenue une compétence
indispensable pour l’ingénieur et très demandée par les
industriels.
Une étude [1] a montré que lorsque la CEM est prise
en considération dès le début de la phase de conception, elle n’induit qu’un coût supplémentaire de l’ordre
de 5%, tandis que lorsque c’est le cas après la construction du premier prototype, le montant peut facilement
dépasser les 50% de l’investissement de base. Il est
donc important que l’ingénieur possède toutes les notions requises pour prendre en compte les problèmes de
CEM dès le début de la conception d’un équipement.
2 DEROULEMENT DU PROJET
Ce travail a été réalisé dans le cadre d’un projet (120
heures) d’un étudiant de 1° année de mastère et vise à
illustrer les problèmes de CEM dans le cadre de Travaux Pratiques (TP). Le TP visé s’adresse à des étudiants de BAC3 ayant déjà eu une introduction à
l’électronique (45h de cours et 30h de TP) et représente un volume horaire de 4h. Chaque volet du TP illustre un mode de couplage (galvanique, capacitif ou
inductif) et est divisé en trois parties : une introduction
théorique, un dispositif de test illustrant la partie théorique et un autre illustrant les applications possibles et
les règles de bonne pratique.
Le sujet étant vaste, seulement les cas les plus typiques
ont été étudiés, et en particulier le couplage par champ
lointain n’est pas inclus.
3 MISE EN EVIDENCE DES PROBLEMES DE
COUPLAGE GALVANIQUE
3.1 Introduction théorique et illustrations
Le couplage galvanique est sans doute celui qui intrinsèquement est le mieux défini et sujet à peu
d’équivoques. Il y a couplage galvanique lorsque la
perturbation est guidée par un support physique
conducteur (une piste ou un plan de masse dans le cas
d’un circuit imprimé) commun au circuit perturbateur
et au circuit victime. Il est possible de calculer et de
mesurer la résistance et l’inductance du couplage, de
manière à obtenir un ordre de grandeur.
La Fig. 1 montre un circuit imprimé contenant des pistes de différentes largeurs. Ce prototype permet de mesurer l’inductance et la résistance de la piste en fonction de sa largeur. Les mesures de la résistance sont en
bon accord avec les valeurs théoriques comme le montre la Fig. 2.
fig 1 : Circuit imprimé permettant de comparer différentes
largeurs de piste
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mes d’alimentation et de masse en basse et haute fréquence est effectuée dans le premier paragraphe. Dans
les deux autres paragraphes, on se centrera uniquement
sur les problèmes de masse en basse fréquence, les autres cas se déduisant facilement.
Résistance de la piste (Ohm)
0,8
Valeurs théoriques
Valeurs mesurées
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Largeur de piste (mm)
3.2.1 La masse en cascade
Le schéma de la masse en cascade et son prototype
sont donnés aux figs. 3 et 4. L’amplificateur C1
consomme un courant I1 et l’amplificateur C2
consomme un courant I2. Leur alimentation est fournie
grâce au générateur Valim.
fig 2 : Résistances théoriques et mesurées des pistes de cuivre en fonction de leur largeur
Il est possible de mesurer l’inductance des pistes et de
la comparer par rapport aux formules théoriques proposées [2] – [3]. Les mesures donnent un ordre de
grandeur de 1µH/m mais sont cependant plus aléatoires
à cause des imprécisions des appareils de mesures.
3.2 Applications pratiques
Les applications pratiques les plus communes sont certainement l’agencement de la masse d’un système et
son alimentation. La masse est un conducteur qu’on
espère équipotentiel et qui sert de référence pour un
circuit. Elle assure également le retour du courant via
une faible impédance vers le générateur. La difficulté
vient du fait que ces deux rôles s’opposent. En effet, la
circulation du courant produit une différence de potentiel car l’impédance de la masse n’est pas nulle. Il
s’ensuit que les différents équipements connectés à
cette masse verront un potentiel différent en fonction
de l’endroit où ils sont connectés. De même, la piste
d’alimentation doit à la fois fournir une tension constante (on se place dans le cas d’une alimentation continue) et un courant nécessaire pour le bon fonctionnement des appareils. La situation est donc proche de
celle de la masse et les problèmes rencontrés similaires.
Trois prototypes utilisant les trois types de masse les
plus connus (masse en cascade, masse en étoile et plan
de masse) ont été réalisés dans le but de pouvoir les
comparer.
Sur chaque prototype, deux amplificateurs ont été
choisis comme composants chargés de consommer du
courant. Pour permettre de bien illustrer les effets indésirables, ils présentent de bonnes performances à la fois
en ce qui concerne le courant qu’ils peuvent fournir
(jusqu’à 270 mA) et leurs caractéristiques fréquentielles (slew-rate de 1600 V/µs et produit gain bande passante de 160MHz). Leurs sorties sont connectées à
deux jeux de résistances montés en parallèle par lesquels le courant retourne à la masse. Des cavaliers
permettent de faire varier le courant de sortie en jouant
sur le nombre de résistances branchées en parallèle.
Quelques LED sont également présentes et indiquent
de manière visuelle les groupes connectés.
Les trois types de masse sont présentés dans les trois
paragraphes suivants. Une étude complète des problè-
Valim
C1
I1
C2
I2
fig 3 : Schéma de la masse en cascade
4
5
2
3
2
5
4
3
5
4
1
4
fig 4 : Prototype illustrant la masse en cascade
Sur la fig. 4, on peut observer les pistes de masse et
d’alimentation par transparence ainsi que :
1. les bornes d’alimentation ;
2. les amplificateurs ;
3. les résistances de charge ;
4. quatre cavaliers permettant de passer d’une
piste de masse fine (0,2mm) à une plus large
(3mm) ;
5. trois cavaliers permettant de brancher des capacités de découplage aux bornes des amplificateurs et de la masse.
Le désavantage principal de la masse en cascade est
qu’une partie de la piste de masse et une partie de la
piste d’alimentation sont partagées par les deux circuits. De ce fait, lorsqu’un circuit consomme du courant, la tension aux bornes des deux circuits chute.
La première expérience consiste à faire varier le courant utilisé par les deux amplificateurs et à mesurer la
chute de tension d’alimentation associée. Le courant
est consommé à basse fréquence (50Hz).
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5,010
5,005
5,00
4,98
4,96
Tension (V)
Les figs. 5 et 6 montrent les tensions d’alimentation
respectivement des circuits 1 et 2 en fonction du courant consommé pour une largeur de piste de 0,2mm et
3mm.
4,995
4,975
0
20
40
60
80
Courant (mA)
fig 5 : Fluctuation de la tension d’alimentation du premier
circuit en fonction du courant consommé (les courbes correspondantes aux courants I1 et I2 sont confondues)
4,98
4,97
4,96
tension (v)
Piste fine, avec capa
Piste fine, sans capa
4,95
100
150
Les mêmes processus sont aussi présents pour le câblage des masses. La différence de potentiel entre la
masse de l’alimentation et la masse du circuit grandit
quand le courant utilisé augmente, qu’il s’agisse du
courant I1 ou I2. Le graphique de la fig. 8 montre ce
phénomène à basse fréquence (50Hz) pour une largeur
de piste de 0,2mm. Le courant I2 provoque une chute
de tension plus importante sur la masse du deuxième
circuit car la piste qu’elle traverse est plus longue. Des
résultats similaires sont obtenus à haute fréquence ou
pour une piste plus large.
20
Piste fine, I1
Piste fine, I2
Piste large, I1
Piste large, I2
Masse 1, I1
Masse 2, I1
Masse 1, I2
Masse 2, I2
15
4,91
20
50
fig 7 : Fluctuation de la tension d’alimentation à haute fréquence
4,965
0
Piste large, sans capa
Courant (mA)
4,970
4,92
Piste large, avec capa
4,88
0
Piste fine, I1
Piste fine, I2
Piste large, I1
Piste large, I2
4,980
4,93
4,90
4,84
4,985
4,94
4,92
4,86
4,990
40
Courant(mA)
60
80
fig 6 : Fluctuation de la tension d’alimentation du deuxième
circuit en fonction du courant consommé
On remarque que la chute de tension du premier circuit
est identique si elle est due au courant I1 ou I2, ce qui
s’explique sur la fig. 3 par le fait que la résistance parcourue est la même. Par contre, pour le deuxième circuit, le courant I1 passe par une piste plus courte et
donc moins résistive que le courant I2, ce qui donne
une chute de tension moindre, comme on peut le voir
sur la fig. 6.
Les chutes de tension sont moins grandes lorsque la
largeur des pistes est plus grande car la résistance des
pistes diminue.
La même expérience a été réalisée en faisant débiter les
amplis à haute fréquence (11MHz) afin de se centrer
davantage sur les caractéristiques inductives des pistes.
Les conclusions sont similaires, mais toutefois l’utilité
de la capacité de découplage est mise en évidence. La
fig. 7 montre la variation de la tension d’alimentation
du premier circuit (le deuxième donnant des conclusions similaires) en fonction du courant consommé,
avec et sans capacité de découplage, et avec une largeur de piste de 0,2mm ou de 3mm. On observe clairement l’avantage de la capacité de découplage.
Tension (mV)
Tension (V)
5,000
4,94
10
5
0
-5
-10
0
10
20
30
40
50
Courant (mA)
60
70
80
fig 8 : Fluctuation de la tension de masse en fonction des
courants consommés par les circuits
3.2.2 La masse en étoile
Le schéma de la masse en étoile et son prototype sont
donnés aux figs. 9 et 10. A part pour le câblage de la
masse, le circuit est identique à celui de la masse en
cascade.
C1
Valim
I1
C2
I2
fig 9 : Schéma de la masse en étoile
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fig 12 : Prototype illustrant le plan de masse (côté soudure)
fig 10 : Prototype illustrant la masse en étoile
Avec un câblage en étoile, la différence de potentiel
entre la masse d’un composant et celle de
l’alimentation ne dépend plus que du courant qu’il
consomme lui-même et plus de ceux des autres circuits.
C’est un avantage majeur si des circuits sensibles aux
parasites et d’autres potentiellement perturbateurs cohabitent sur un même circuit imprimé. La masse en
étoile est acceptable jusqu’à des fréquences de l’ordre
de quelques dizaines de MHz, car au-delà la longueur
des conducteurs nécessaires pour connecter tous les
circuits au point unique de masse induit des inductances trop importantes et favorise également le risque de
perturbations par couplage rayonné.
L’expérience réalisée sur la masse en cascade a été reproduite dans les mêmes conditions pour une masse en
étoile. La fig. 11 montre que la chute de tension sur la
masse d’un circuit ne dépend que du courant qu’il
consomme et pas du courant consommé par un autre
circuit.
7
6
masse 1, I1
masse 1, I2
masse 2, I1
masse 2, I2
Tension (mV)
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
0
20
40
Courant (mA)
60
80
fig 11 : Fluctuation de la tension de masse en fonction des
courants consommés des circuits
3.2.3 Le plan de masse
Les figs. 12 et 13 montrent le prototype du circuit avec
un plan de masse, qui constitue l’unique changement.
fig13 : Prototype illustrant le plan de masse (côté plan de
masse et composants)
Le plan de masse offre un double avantage. Il permet
tout d’abord de diminuer les chutes de potentiel sur le
conducteur de masse en réduisant fortement sa résistance. (On mesure ainsi sur ce montage que les différences de potentiels entre les masses des circuits 1 et 2
et la masse de l’alimentation sont presque nulles ; de
l’ordre de la précision des appareils de mesure). Il simplifie aussi fortement le dessin des pistes, car toutes les
connexions de masse disparaissent.
Deux désavantages sont toutefois à noter. D’une part,
le plan de masse monopolise à peu près une couche du
circuit imprimé. D’autre part, des courants de différents circuits peuvent passer par le même tronçon de
plan de masse, ce qui nous ramène au même problème
que celui de la masse en cascade. Toutefois, comme la
résistivité est diminuée, ce problème n’apparaît que
pour des courants plus importants.
4 MISE EN EVIDENCE DES PROBLEMES DE
COUPLAGE CAPACITIF
4.1 Introduction théorique et illustrations
Deux conducteurs proches séparés par un isolant constituent une capacité. Une variation de différence de potentiel entre ces deux conducteurs correspond à un courant.
Les figs. 14 et 15 montrent le schéma et le dispositif
expérimental de l’expérience réalisée afin d’illustrer ce
phénomène. Deux conducteurs identiques sont placés
sur deux plaques superposées. Une tension sinusoïdale
(11MHz) est appliquée sur le premier conducteur et on
mesure le courant passant par le deuxième grâce à un
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ampèremètre. Le couplage capacitif induit un courant
parasite d’environ 100mA pour une tension générée de
8V et la capacité résultante vaut donc 180pF.
3
1
2
fig 16: Prototype illustrant le couplage capacitif
fig 14 : Schéma de l’expérience permettant la mise en évidence d’un couplage capacitif
Le circuit comporte :
1. une piste émettrice ;
2. un circuit récepteur constitué d’une résistance
de 2KΩ ;
3. une piste-écran servant de blindage et pouvant
être connectée à la masse grâce à un cavalier.
Toutes les pistes mesurent 15cm de long.
Des mesures ont été prises en connectant la piste émettrice à la borne positive d’un générateur de tension délivrant une onde carrée et en connectant les bornes
d’un oscilloscope de part et d’autre de la résistance du
circuit récepteur correspondant.
Les résultats obtenus sont donnés à la fig. 17 pour un
récepteur sans écran.
fig 15 : Dispositif expérimental permettant la mise en évidence d’un couplage capacitif
Le blindage est une contre-mesure couramment utilisée
et qui agit sur les champs afin d’éviter que ceux-ci ne
viennent perturber le circuit qu’il protège ou pour éviter que les parasites créés par son propre circuit ne perturbent d’autres éléments.
Pour le couplage capacitif, le blindage consiste en un
conducteur porté à un potentiel fixe, typiquement la
masse.
4.2 Applications pratiques
Les problèmes de couplage capacitif rencontrés dans
les circuits imprimés sont souvent dus à des longues
pistes côte à côte. En effet, le couplage capacitif augmente avec la proximité des pistes ainsi que leur longueur.
Un circuit imprimé a été réalisé afin d’illustrer
l’influence néfaste du couplage capacitif sur les pistes
conductrices et est montré à la fig. 16.
fig 17: Tensions sur la piste émettrice et sur le récepteur
sans écran (canal 1 : tension sur le circuit récepteur ; canal
2 : tension sur le circuit émetteur)
On observe un couplage capacitif entre les deux pistes.
La valeur de la capacité peut être déduite si on mesure
la constante de τ de l’exponentielle décroissante ; elle
vaut environ 250pF.
Ce couplage est diminué de moitié si on utilise l’écran
de blindage.
5 MISE EN EVIDENCE DES PROBLEMES DE
COUPLAGE INDUCTIF
5.1 Introduction théorique et illustrations
Un courant dans un conducteur génère un champ magnétique. Un circuit voisin qui possède une boucle intercepte une partie des lignes de champ. La variation
de flux magnétique dans une boucle génère une tension.
La fig. 18 montre le dispositif expérimental utilisé afin
d’illustrer ce phénomène. Il est identique à celui utilisé
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dans le couplage capacitif, mis à part que l’on génère
un courant dans la boucle émettrice et que l’on mesure
une tension dans la boucle réceptrice. Le couplage inductif induit une tension parasite d’environ 1,3V pour
un courant généré de 400mA (11MHz) et la mutuelle
résultante vaut donc 47nH.
280nH. Ce couplage peut être réduit en diminuant la
surface des boucles.
6 COMPARAISON AVEC LES CIRCUITS INTEGRES
Pour un circuit intégré typique, on a un ordre de grandeur de capacité parasite entre deux pistes d’environ
100fF [4] et l’inductance d’une piste vaut environ 1nH
[5].
Si on compare ces chiffres avec ceux mesurés pour un
circuit imprimé (C=250pF et L=280nH) on observe
que la réduction des dimensions permet une réduction
importante (de 3 ordres de grandeur environ) des couplages parasites.
7 CONCLUSIONS
Ce projet a permis de mettre en évidence des effets de
couplage parfois considérés comme de la ‘magie noire’
grâce à des appareils de mesure et des circuits simples.
Ceci constitue un bon outil pédagogique qui permettra
aux étudiants de se familiariser avec les problèmes de
CEM, les ordres de grandeur des parasites et les règles
de bonne pratique. L’accent a été mis sur la liaison entre la théorie, son illustration en laboratoire et ses aspects pratiques, et ceci de manière visuelle.
fig 18 : Mise en évidence d’un couplage inductif
Comme dans le cas des couplages capacitifs, le blindage est une contre-mesure contre les couplages inductifs. La pratique la plus couramment utilisée étant toutefois de réduire la surface des boucles.
5.2 Applications pratiques
Entre deux boucles d’un circuit imprimé existe un couplage inductif qui augmente avec leurs surfaces et leur
proximité.
Un circuit imprimé a été réalisé afin d’illustrer
l’influence néfaste du couplage magnétique sur les
boucles et est montré à la fig. 19.
fig 19: Prototype illustrant le couplage magnétique
De la même manière qu’au point 5.1, on peut mesurer
le couplage pour deux boucles de 10cm * 15cm
concentriques. La mutuelle mesurée vaut environ
Bibliographie
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polytechnique fédérale de Lausanne, 2004.
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