Notions de Compatibilité Electro Magnétique (CEM) Le marquage CE (Conformité Européenne) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Sommaire 1) Introduction 1.1) Préambule 1.2) Un peu d’histoire 1.3) Les directives 89/336/CEE et 2004/108/CEE 1.4) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM 2) Généralités 2.1) Emissivité et immunité 2.2) Les perturbations 3) Les modes de couplage et leurs solutions 3.1) Couplages en mode conduit 3.2) Couplages par rayonnement « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Sommaire 4) Les moyens d’essai 4.1) Les chambres anéchoïques 4.2) Les cages de Faraday 4.3) Chambres réverbérantes à brassage de modes (CRBM) 4.4) L’analyseur de spectre 4.5) Quelques antennes utilisées en CEM 4.6) Les sondes isotropiques 4.7) Les RSIL (Réseaux Stabilisateurs d’Impédance de ligne) 4.8) Tests d’immunité aux décharges électrostatiques (Norme CEI 61000-4-2) 4.9) Tests de transitoires électriques rapides en salve (TERS) 4.10) Tests d’immunité aux champs électromagnétiques « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Sommaire 5) La CEM dans la conception des équipements électroniques 5.1) Conception des circuits imprimés 5.2) Les choix technologiques 6) Les outils de simulation 6.1) Perturbations basse fréquence 6.2) Perturbations haute fréquence 6.3) Intégrité et rayonnement des torons de câbles 7) La certification des équipements « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Préambule On appelle « perturbation électromagnétique » tout phénomène électromagnétique susceptible de dégrader les performances d’un dispositif, d’un équipement ou d’un système. On peut définir la CEM comme l’aptitude d’un appareil à fonctionner normalement dans un environnement électromagnétique donné, sans produire lui-même des perturbations intolérables pour les appareils qui se trouvent dans cet environnement. On peut distinguer : •La CEM intra-système (propre aux perturbations émises à l’intérieur d’un équipement). •La CEM inter-système (influence de l’équipement sur l’environnement et inversement). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Un peu d’histoire • 1933 : Création du CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) par la CEI (Commission Electrotechnique Internationale) qui développe des normes pour éviter les interférences. • Durant la deuxième guerre mondiale, l’utilisation d’appareils électroniques (radio, navigation, radar) s’est accélérée. => Beaucoup de cas d’interférences entre radios et systèmes de navigation aérienne sont constatés. • Le CISPR présente des techniques de mesure des perturbations et recommande des valeurs limites d’émissions. => Plusieurs pays européens adoptent ces valeurs limites. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Un peu d’histoire •L’augmentation la plus significative des problèmes d’interférences est apparue avec l’invention des composants électroniques à haute densité (transistor bipolaire dans les années 1950, circuit intégré dans les années 1960, puces à microprocesseur dans les années 1970. • le spectre fréquentiel utilisé devient beaucoup plus large afin de subvenir aux besoins de plus en plus croissants de transmission d’informations. • la sensibilité des circuits électroniques est de plus en plus accrue. => l’American Federal Communications Commission (FCC) publie en 1979 des normes limitant les émissions électromagnétiques de tous les appareils électroniques. Les valeurs limites définies par la FCC correspondent dans l’ensemble à celles recommandées par le CISPR. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les directives 89/336/CEE et 2004/108/CEE • Mise en place de la directive 89/336/CEE puis de la directive 2004/108/CEE qui abroge la précédente. • La première est applicable depuis 1989 et obligatoire depuis le 1er janvier 1996. • Concerne tout équipement électrique ou électronique. • Imposent le respect d’exigences d’ordre technique aux états membres de l’Union Européenne. • Imposent les contrôles à faire sur un produit, avant sa mise sur le marché, sans préciser les modalités techniques relevant elles de normes. • Suppriment les entraves aux échanges à l’intérieur de l’Union Européenne. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La directive CEM : Exigences • Les perturbations générées doivent être limitées à un niveau permettant aux systèmes de radio et de télécommunication, ainsi qu’aux autres appareils, de fonctionner conformément à leur destination. •Les appareils doivent avoir un niveau adéquat d’immunité intrinsèque contre les perturbations électromagnétiques leur permettant de fonctionner conformément à leur destination. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Vocabulaire spécifique à la directive CEM • Appareil : produit fini contenant des composants électriques et/ou électroniques, destiné à être mis sur le marché et à destination de l’utilisateur final. L’appareil permet l’obtention d’une fonction directe et doit être marqué CE. • Système : Ensemble d’appareils conçus et fabriqués pour être associés entre eux afin de remplir une tâche déterminée, et mis sur le marché comme une seule entité et à destination de l’utilisateur final. • Installation : Association de plusieurs appareils ou systèmes mis en place dans un lieu donné, et pour un but donné, mais qui ne sont pas destinés à être mis sur le marché en une seule entité. Chaque élément constitutif d’une installation doit être CE. • Composant : sous-ensemble ou constituant. Lorsque le composant est destiné à être intégré dans un appareil, le composant n’est pas soumis aux dispositions de la directive. Exemple : la carte alimentation d’un ordinateur destiné à un assembleur n’est pas soumise au marquage CE, c’est l’ordinateur complet qui doit être CE. Cependant si le composant délivre une fonction directe, il est assimilable à un appareil et doit donc se conformer aux prescriptions de la directive. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Directive CEM : la déclaration de conformité Doit contenir les éléments suivants : • Description de l’appareil visé. • Références des directives concernées. • Références des normes harmonisées par rapport auxquelles la conformité a été évaluée. • Identification du signataire ayant reçu pouvoir pour engager le fabricant ou son mandataire. • Le cas échéant, les références de l’attestation CE de type ou du rapport technique délivré respectivement par l’organisme notifié ou compétent. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Directive CEM : le marquage CE Signifie « Conformité Européenne » est le signe distinctif de la conformité du produit aux diverses directives qui lui sont applicables. Le fabricant ou le mandataire a la responsabilité de la conformité de son produit aux directives. Il doit rédiger une Déclaration de Conformité. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Directive CEM : le marquage CE « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Directive CEM : le marquage CE « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Loi de Biot et Savart: Un élément dl d’un circuit filiforme parcouru par un courant d’intensité I génère en un point M distant de r un champ magnétique dB défini par la relation ci-dessous : d dB I r M dB r 0 Id 4 r3 Dans un plan: B=µ0.I/2π.r I en ampère, r et l en mètres, B en Tesla µ0 : perméabilité du vide (µ0 = 4π10-7Hm-1) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Loi de Biot et Savart: Conséquences Un conducteur de type « boucle » parcouru par un courant i variable (l’effet est nul en continu) peut, via le champ magnétique B qu’il crée, perturber d’autres conducteurs placés à proximité. Un conducteur de type « brin » (antenne) alimenté par une source de tension variable (effet nul en continu) génère un champ électromagnétique pouvant perturber les conducteurs placés à proximité. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Loi de Biot et Savart: Conséquences Un conducteur placé dans un champ magnétique B ou électrique E variables devient respectivement le siège d’une ddp v ou d’un courant i induits. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Loi de Faraday/ Loi de Lenz: Quand le flux Φ du champ magnétique à travers un circuit conducteur fermé varie dans le temps, il apparaît dans le circuit une f.e.m. d’induction e telle que: boucle de fil aimant N e d dt G galvanomètre Conséquences : Une excitation magnétique variable perturbatrice H induira dans les boucles qu’elle traverse, une tension parasite u telle que : u = µ0.S.dH/dt. (S : surface de la boucle) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Les équations de Maxwell: Généralisation en 1861 des théorèmes de Gauss, Ampère et Faraday par Maxwell au cas des régimes variables (dépendants du temps). Ces équations permettent de décrire les évolutions spatio-temporelles des composantes (Ex, Ey, Ez) du champ électrique et les composantes (Bx, By, Bz) du champ magnétique dans un milieu isotrope parfait du point de vue électrique et magnétique en les reliant à leurs sources : densité de charge ρ et densité de courant de conduction j. div E = ρ / εo => théorème de Gauss rot E = -dB/dt => relation de Maxwell-Faraday div B = 0 => conservation du flux magnétique rot B =μo * j + μo * εo * dE/dt => relation de Maxwell-Ampère Les dérivées sont partielles, les grandeurs physiques mises en jeu étant dépendantes de l'espace et du temps. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Conséquences des équations de Maxwell: En considérant un même milieu homogène, ces équations admettent des solutions qui régissent la propagation des champs électrique et magnétique. Les champs E et B s'entretiennent mutuellement, mais l'équilibre énergétique entre eux ne s'opère qu'à une certaine distance de la source (qui peut être un champ électrique ou magnétique). On distingue alors deux zones : •La zone dite de « champ proche » •La zone dite de « champ lointain » La zone de champ proche correspond aux phénomènes décrits par les équations de Biot-Savart, Gauss, Faraday et Ampère et est prépondérante dans l’étude des couplages par diaphonie capacitive et inductive. La zone de champ lointain est prépondérante dans l’étude des couplages de type « champ à fil » et « champ à boucle ». « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Rappels sur les ondes électromagnétiques: Champ électromagnétique généré par une antenne boucle Dans le cas d’une boucle (basse impédance) parcourue par un courant variable i et en champ proche E varie en 1/r2, H en 1/r3 et l’impédance Z varie en r. En conséquence, à faible distance, la boucle rayonne essentiellement en champ H. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM En champ lointain les champs E et H décroissent en 1/r et tendent vers un rapport constant Z0 : E/H=377 Ω (impédance du vide Z0 = (µ0/ε0)1/2). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Rappels sur les ondes électromagnétiques: Champ électromagnétique généré par une antenne fouet Dans le cas d’un dipôle (haute impédance) excité par une tension élevée v et en champ proche, E varie en 1/r3, H en 1/r2 et l’impédance Z varie en1/ r. En conséquence, à faible distance, la boucle rayonne essentiellement en champ E. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM En champ lointain les champs E et H décroissent en 1/r et tendent vers un rapport constant Z0 : E/H=377 Ω (impédance du vide Z0 = (µ0/ε0)1/2). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM En champ lointain les champs E et H décroissent en 1/r et tendent vers un rapport constant Z0 : E/H=377 Ω (impédance du vide Z0 = (µ0/ε0)1/2). • Champ électrique rayonné E à une distance d en champ lointain pour une puissance d’émission P : E(V/m) = d-1.(30.P.G)1/2 Avec P en watt, d en mètre, G gain numérique de l’antenne (non ramené en dB). Pour info: pour un doublet G vaut 1, pour une parabole classique G vaut 1000. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Conséquences des équations de Maxwell: Un champ électrique variable se réfléchissant sur un conducteur y induit un courant. Le condensateur entre les extrémités du conducteur permet sa circulation (phénomène très peu sensible aux basses fréquences). L<c/4F I=E.L2/100. L>c/2F I=1.25 E/F Avec F en Mhz « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM La transformée de Fourier: Opération qui transforme une fonction f(t) intégrable sur {R} en une autre fonction, décrivant le spectre fréquentiel de cette dernière. La transformée de Fourier de f(t) est la fonction F (f) donnée par la formule: Avec t en secondes et ν la fréquence (en s − 1). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Conséquences de la transformée de Fourier: Tous les signaux temporels ont une représentation spectrale (énergie fonction de la fréquence) et les fréquences seront d’autant plus élevées que les signaux auront des dv/dt élevés (variations temporelles). Ils seront donc générateurs de signaux parasites potentiellement perturbateurs. Exemple: Effets de la commutation dans les circuits numériques « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Conséquences de la transformée de Fourier: Tous les signaux temporels ont une représentation spectrale (énergie fonction de la fréquence) et les fréquences seront d’autant plus élevées que les signaux auront des dv/dt élevés (variations temporelles). Ils seront donc générateurs de signaux parasites potentiellement perturbateurs. Exemple: Effets de la commutation dans les circuits numériques « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Lois générales, unités et outils mathématiques utilisés en CEM Les unités utilisées en CEM Le dBm : il exprime le rapport entre la puissance Px du signal x considéré et le milliwatt (mW) qui est la référence : X (dBm) = 10 log10 (Px/ 10-3) Ex: un signal de puissance 1 Watt vaudra 30 dBm et 1 µW correspondra à -30 dBm. Le dBµV : Il exprime le rapport entre la ddp Vx d’un signal x chargé par une résistance de 50 Ω et le µV qui sert de référence : X (dBµV) = 20 log10 (Vx/ 10-6) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Emissivité et immunité •Emissivité : Ce terme est employé pour évaluer le pouvoir perturbateur d’un appareil Perturbations générées par un appareil : Perturbations conduites (câbles, supports, …) Perturbations rayonnées (sous forme d’onde électromagnétique) •Immunité : On parle d’immunité pour caractériser le niveau de protection intrinsèque d’un système vis-à-vis des perturbations externes. Immunité contre : Les perturbations conduites Les perturbations rayonnées « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Emissivité et immunité Les trois acteurs de la CEM « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Peuvent être d’origine naturelle : • Atmosphériques (foudre) •Solaires •Décharges électrostatiques (DES) - (ESD : Electro Static Discharge) •Bruit galactique • …. Ou artificielle : •Télécommunications (antennes) •Fours micro ondes •Coexistence de courants forts et de courants faibles •Commutation industrielle (relais électro mécaniques, alimentations à découpage, …) •Distances entre équipements et entre éléments de + en + faibles (miniaturisation) •Variations de tension rapides •Micro coupures secteur • Moteur à explosion •… « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Classées en fonction de leur type plutôt que de leur nature, par exemple basse ou haute fréquence, transitoires ou entretenues. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les chemins de couplage Les perturbations conduites utilisent comme vecteur les matériaux conducteurs : Lignes de données Câbles d’alimentation Réseau de terre déficient Les perturbations rayonnées sont transmises par une onde électromagnétique et utilisent comme support les milieux diélectriques : Le plastique Le bois L’air … « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) SOURCES Émetteurs radio-fréquence VICTIMES Électronique analogique bas niveau Récepteur radio-fréquence Lampes à arc Électronique analogique et numérique Soudage HF Allumage automobile Électronique analogique et numérique Récepteurs radio-fréquences, toutes les électroniques Toutes les électroniques Électronique analogique Relais, contacteurs Électronique numérique, alim. à découpage,… Exemple de sources de perturbations et leurs victimes « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) La foudre : Quand la foudre tombe quelque part, le courant produit un important champ magnétique impulsionnel qui vient se coupler avec tous les conducteurs environnants. Modélisation de la foudre à partir de deux exponentielles : I=I0 (e-t/τ1-e-t/ τ2) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) La foudre : 90% des surtensions peuvent être modélisées à partir des 3 ondes de courant typiques ci-dessous : => Intérêt pour la simulation (Spice, Saber, VHDL-AMS, …) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les décharges électrostatiques: « source » parasite naturelle très répandue. • le corps d'un être humain est chargé par effet tribo-électrique, • les charges accumulées se déchargent brutalement quand une opportunité se présente : c'est la décharge électrostatique (DES ou ESD en anglais). Conséquences possibles pour un matériel électronique « victime »: • • • destruction d'un composant (en fabrication, en utilisation ou en maintenance), dysfonctionnements (« plantages », pertes de données), phénomènes analogiques transitoires, « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les décharges électrostatiques: modélisation Le phénomène « décharge électrostatique d'origine humaine » est modélisé, dans la normalisation, par : • un générateur d'impulsion, modèle électrique du corps humain, constitué d'un circuit « capacité + résistance », en série . (condensateur de 150 pF se déchargeant dans une résistance de 330 Ω ) • un modèle géométrique d'un doigt humain, servant d'électrode de sortie au générateur, accompagné d'un scénario de couplage (contact direct, couplage inductif représentant un contact sur un objet proche, etc.) • un niveau de sévérité (tension de charge initiale du condensateur, valeur crête de l'impulsion variable selon le degré de précautions contre les décharges électrostatiques qu'il est raisonnable d'attendre. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les décharges électrostatiques: modélisation => Intérêt pour la simulation (Spice, Saber, VHDL-AMS, …) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les décharges électrostatiques: quelques chiffres « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les transitoires électriques rapides en salves (TERS) • Souvent générés par l’ouverture d’un relais ou d’un contacteur alimentant une charge inductive (rafale d’impulsions). • Energie à dissiper faible, mais la largeur du spectre peut s’étendre au delà de 100 MHz. • Pouvoir perturbateur important : => peut être interprété comme un signal, ou même induire un problème de « latch-up » (mise en conduction des transistors des étages de sortie des portes logiques provoquant un courtcircuit sur les lignes d’alimentation). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Les transitoires électriques rapides en salves (TERS): modélisation « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les Perturbations électromagnétiques (EMI : Electro Magnetic Interference) Commutations courants faibles et courants forts : surviennent respectivement dans les circuits numériques et alimentations à découpage. Les fronts montants et descendants des signaux génèrent des harmoniques d’autant plus élevés qu’ils sont brefs. Les amplitudes sont d’autant plus importantes que les énergies commutées le sont. U (t ) A 2 A n sin(n / 2) sin(n / T0 ) cos(n (n / T0 ) 1 ( n / 2) 0 t) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages : Chemins de propagation par lesquels les sources de perturbations entrent en contact avec les équipements victimes. Principalement six modes de couplage: * deux en mode conduit * quatre en mode rayonné (deux en champ proche et deux en champ lointain). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages En mode conduit : Le couplage par impédance commune. Le couplage « carte à châssis ». En mode rayonné en champ proche (basse fréquence): Le couplage par diaphonie inductive. Le couplage par diaphonie capacitive. En mode rayonné en champ lointain (haute fréquence): Le couplage champ à câble. Le couplage champ à boucle. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages en mode conduit: Mode commun ou par impédance commune => se produit lorsque les signaux de deux circuits différents transitent par un conducteur commun dont l'impédance ne peut pas être négligée. Tout courant y circulant génère donc aux bornes de ce conducteur une tension U = Z . I Phénomène sévère pour les circuits bas niveaux (mesure) ou rapides (radio). Les tensions de mode commun se développent entre les fils de liaisons (alimentations, signaux) et la référence de potentiel : masses des appareils, fil de protection équipotentielle. Le courant de mode commun est égal au courant qui s’écoule à la masse. mesure de IMC « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Remèdes pour diminuer ce couplage : Diminuer Z en mettant plus de cuivre. Circuit imprimé multicouches avec plan de masse Diminuer le courant parasite. Alimenter les circuits de puissance en priorité. Découpler les composants à fort di/dt. Séparer l’analogique et le numérique. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Mode différentiel: Les signaux utiles sont généralement transmis en mode différentiel, appelé aussi mode « série », mode « normal » ou mode « symétrique ». Exemple : alimentation, transmission sur 2 fils etc. => Les perturbations généralement constatées dans ce mode, et qui sont plutôt faibles, viennent du déséquilibre de l’étage d’entrée du récepteur. mesure de IMD « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Mode différentiel: Cas des alimentations secteur Pour se prémunir des perturbations conduites véhiculées par les câbles secteur et se rendre conforme aux normes en conduction, on utilise des filtres secteur. Filtre Schaffner – 1 phase (ref : FN332) Fréquence de coupure déterminée par la valeur de L , Cx et Cy (quelques KHz). Perte d’insertion (ou atténuation) du filtre: Atténuationdb = 20 Log10 (U’/U) Où U’ représente la tension parasite atténuée. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Mode différentiel: Précautions de montage des filtres secteur • Le filtre doit être monté sur le châssis mécanique, masse de l’appareil. • Prévoir des épargnes de peinture sous le filtre. Attention aux matériaux traités ! • Éviter les couplages entre les fils qui arrivent et ceux qui partent. • Les filtres secteur ne sont généralement pas réversibles. Attention au montage !!! • Plaquer les câbles contre les tôles. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage « carte à châssis »: => La capacité d'une carte électronique loin de tout conducteur est égale à sa capacité intrinsèque. CI = 4.ε0.R avec R : rayon du disque (diagonale carte) mise en boîtier, elle subit l’influence des parois métalliques: CP = 9.S/H (S: section carte, H: distance / à la paroi métallique.) Capacité équivalente d’une carte électronique: C = CP + CI « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage « carte à châssis »: Protection par utilisation de connecteurs filtrants Filtres Passe-bas intégrés « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: couplages en champ proche (les lignes sont courtes devant les longueurs d'onde des signaux qui les traversent) 1) Un signal électrique traversant un conducteur génère autour de celui-ci un champ électrique et un champ magnétique. 2) Les conducteurs voisins baignent dans ces champs et sont à leur tour traversés par un signal électrique induit par le premier. Ces influences sont appelées: - couplage par diaphonie inductive (influence du champ magnétique) - couplage par diaphonie capacitive (influence du champ électrique). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: couplages en champ proche Modèle électrique d’un couplage par rayonnement en champ proche (diaphonies inductive et capacitive) (longueur des câbles < /10) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie inductive (mode commun) Un courant i circulant dans un fil génère un champ magnétique autour de celui-ci. Si ce champ est variable, il induit une tension e dans les boucles voisines : e = -M di/dt (loi de Lenz) (M : inductance mutuelle entre les deux circuits ) La tension induite u est égale à : u =- Ldi/dt ou en régime harmonique U= 2π.F.L.I « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie inductive (mode commun) => problème le plus courant en CEM : les surfaces de boucle sont plus grandes qu’en Mode Différentiel par conséquent les effets sont plus significatifs. La diaphonie inductive de MC est générée par les courants de MC circulant sur les câbles perturbateurs. L’effet est une tension induite entre un câble victime parallèle et la masse la plus proche. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie inductive de mode commun Remèdes : Diminuer la mutuelle inductance en éloignant le perturbé du perturbateur. Utilisation d’anneau de garde relié au 0v autour des pistes sensibles. Éviter les parcours parallèles de câbles sur de longues distances. Mettre le conducteur de retour dans le même câble que le conducteur aller. Diminuer la vitesse de variation du courant. Plaquer les conducteurs victimes et perturbateurs sur la masse. Travailler en basse impédance. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie inductive (mode différentiel) La tension induite u est égale à : u =- Ldi/dt ou en régime harmonique U= 2π.F.L.I Avec : F fréquence du courant source, L mutuelle inductance, I courant source de perturbation di/dt vitesse de variation du courant « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie inductive (mode différentiel) Elle n’est gênante que pour les signaux à bas niveaux proches de conducteurs transportant des courants rapidement variables. Remèdes : - Diminuer la mutuelle inductance en éloignant le fil perturbé du fil perturbateur. - Utiliser des paires torsadées - Multiplier les conducteurs de la masse. - Adapter les impédances terminales des lignes. - Câbles en nappe torsadés : alterner signal et masse « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie capacitive 1) Les variations de tension entre un conducteur et son environnement génèrent un champ électrique variable. 2) Celui-ci injecte à son tour un courant, proportionnel aux lignes de champ coupées, dans les conducteurs proches. => La diaphonie capacitive est un couplage par champ électrique. La notion de capacité de couplage parasite évite de calculer les champs électriques. Cette capacité de couplage permet de calculer le courant I collecté par un conducteur victime : I=Cdv/dt ou en régime harmonique : I=2πFCV I : courant collecté par la piste victime . F : fréquence du signal source en Hz. C : capacité de couplage en F. V : tension de source coupable. dv/dt : vitesse de variation de la tension coupable « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie capacitive de mode commun La diaphonie maximale est voisine de 50%. Dès que l’éloignement e des câbles est supérieur à la hauteur h par rapport au plan de masse, la diaphonie dans les cas extrêmes tend vers le rapport : R = (h/e)2 « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie capacitive de mode commun Remèdes : les mêmes que pour la diaphonie inductive - Diminuer la capacité de couplage en éloignant le perturbé du perturbateur. - Séparation des câbles bas niveaux des autres dans des goulottes séparées. - Éviter les parcours parallèles de câbles sur de longues distances. - Mettre le conducteur de retour dans le même câble que le conducteur aller. - Diminuer la vitesse de variation de la tension. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplages par rayonnement: Couplage par diaphonie capacitive de mode différentiel CMD = (C11-C12-C21+C22)/2 Exemple de remède à la diaphonie capacitive de mode différentiel Remèdes : Limiter les variations rapides de tension. Diminuer la capacité de couplage entre les deux circuits (éloigner les conducteurs). Un écran conducteur, tresse, feuillard, plastique conducteur, est efficace même aux basses fréquences « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage en champ lointain: Couplage champ à fil Un champ électrique E, en se réfléchissant sur un conducteur de longueur L, crée un courant I en surface de ce conducteur. Le condensateur parasite entre les extrémités du conducteur permet la circulation du courant. Courant collecté en fonction de E et de la valeur de L : Si L < C/4F => I = EL2 / 100.λ Si L > C/2F => I = 1.25 E/F Avec: L, longueur du fil en m E, champ électrique en V/m F, fréquence du champ E en MHz C, célérité de la lumière (3.108 m/s) λ, longueur d’onde I, courant parasite en A « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage en champ lointain: Couplage champ à fil •Remèdes : diminuer l’effet d’antenne en rapprochant le câble de la masse, en blindant ou en éloignant le champ électrique perturbateur. Effet réducteur : Plaquer le câble contre un plan de masse conducteur. Blinder les câbles et les coffrets. Filtrer les entrées et sorties par rapport à la masse mécanique. Monter des tores de ferrites sur les câbles collecteurs. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage en champ lointain: Couplage champ à boucle Un champ magnétique H variable traversant une boucle S y crée un flux magnétique variable. Ce flux induit une tension électrique U aux bornes de cette boucle. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage en champ lointain: Couplage champ à boucle Si la plus grande dimension de la boucle est d < c/4F : U = µ0SdH/dt ou U = 2πfµ0HS en régime sinusoïdal U = SEF/48 (E et H étant liés en champ lointain, et F en Mhz) Si la plus grande dimension de la boucle est d > c/4F alors la loi de Lenz ne s’applique plus directement. En effet la tension induite fluctue entre des minima et des maxima qui valent : U # 600eH Avec e : espace entre les conducteurs aller et retour en mètres. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les modes de couplages Couplage en champ lointain: Couplage champ à boucle •Remèdes : diminuer la surface des boucles, utiliser un plan de masse sur les circuits imprimés. se protéger par blindage du champ magnétique perturbateur. regrouper les entrées/sorties du même côté des cartes plutôt que de les répartir sur le périmètre. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais 4 TYPES D’ESSAIS NORMATIFS: • Perturbations émises par conduction • Perturbations émises par rayonnement • Immunité conduite • Immunité rayonnée « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais Mesures effectuées « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais : Quelques normes fondamentales « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais Exemple de matériel mis en œuvre: dispositifs d’environnement : => champ libre, cage de Faraday, chambre anéchoïque, chambre à brassage de modes, plateaux tournants, … matériel de mesure => analyseur de spectre, wattmètre HF, RSIL, antennes et mesureurs de champ… générateurs de perturbations => pistolet à DES, pince capacitive, amplificateur de puissance HF, … « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais: les chambres anéchoïques => Salle d'expérimentation dont les murs et le plafond sont totalement absorbants aux ondes électromagnétiques et donc ne provoquent aucun écho venant perturber les mesures. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essais: les cages de Faraday => Enceintes blindées utilisées pour protéger des nuisances électriques et électromagnétiques extérieures ou inversement empêcher un appareillage de polluer son environnement « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Les chambres réverbérantes à brassage de mode Les chambres réverbérantes à brassage de mode sont constituées d’une enceinte blindée dans laquelle se trouve un brasseur (pales en mouvement). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : L’analyseur de spectre => mesure la répartition en fréquence de l’énergie d'un signal en analysant chacune des fréquences séparément dans un intervalle prédéfini. Synoptique d’un analyseur de spectre à balayage « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : quelques antennes utilisées en CEM « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Les sondes isotropiques dédiées à la mesure du champ électromagnétique. effectuent la mesure isotropique du champ électrique, c’est-à-dire indépendamment de la direction du rayonnement (sensibilité identique dans toutes les directions). Sonde isotropique et son mesureur de champ « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Tests d’immunité aux décharges électrostatiques Concernent les perturbations provoquées par les transferts de charge. Mise en œuvre d’un pistolet électrique qui produit ce phénomène de manière contrôlée. Selon le niveau de sévérité du test, les décharges vont de 2 à 8 KV par contact et de 2 à 15 KV dans l'air. Provoquent des surtensions dont le temps de montée est très bref (moins de 1ns). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Les RSIL (Réseaux Stabilisateurs d’Impédance de ligne) => Permet de maintenir l’impédance caractéristique d’un circuit de mesure stable (typiquement 50 ohm) sur toute la plage de fréquences normative (150 kHz-30 MHz). Il permet ainsi une reproductibilité des mesures. Schéma de principe d’un RSIL monophasé et sa courbe d’impédance « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Tests de transitoires électriques rapides en salve (TERS) => Injection sur le câble d'alimentation de l'appareil en test ou sur les câbles de connexion entréesortie, de courants représentant les perturbations transitoires d'origine industrielle, les commutations sur le réseau de distribution, l'influence sur les câbles des rayonnements électromagnétiques ou l'effet de la foudre. Générateur de TERS et sa pince de couplage « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Configuration de mesure d’émission conduite L’équipement sous test est considéré comme un générateur, le RSIL comme une charge. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Les RSIL (Réseaux Stabilisateurs d’Impédance de ligne) Essais d’émissivité conduite 150 kHz à 30 MHz (BF) Mesure : valeur moyenne (vert), quasi-crête (bleu) Norme : Gabarits à respecter (max) en rouge « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Tests d’immunité aux champs électromagnétiques Permettent de garantir le bon fonctionnement des appareils lorsqu’ils sont soumis à des champs électromagnétiques. Réalisés dans des cages anéchoïques ou semi-anéchoïques Les champs sont générés par différentes antennes suivant les types de champ, gammes de fréquence et polarisations voulues. Disposition typique de test dans une cage semi-anéchoïque « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Principe de mesure de l’émission rayonnée « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) Les moyens d’essai : Principe de mesure de l’immunité conduite « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques 1) Le coût induit de la CEM dans le processus de développement d’un produit est d’autant plus élevé que celle-ci est prise en considération tardivement car elle peut remettre fortement en question l’architecture et/ou les choix technologiques qui ont été effectués. 2) « sur-dimensionner » un équipement pour être certain de sa CEM peut s’avérer un fiasco économique à cause du surcoût que cela induit. => Il est capital de la prendre en compte au plus tôt dans la phase de conception et à sa juste valeur. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques la conception des circuits imprimés: Les interférences pouvant apparaître sur les cartes électroniques sont essentiellement de deux natures : - celles liées aux pics de courant lors des commutations des circuits logiques => routage et découplage des alimentations. - celles liées aux différentes diaphonies inductives et capacitives. Routage des alimentations dans un CI DF. Découplages traversant (gauche) et CMS (droite) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques la conception des circuits imprimés: Limitations des interférences liées aux différentes diaphonies inductives et capacitives. - Regrouper les circuits par type (numérique - analogique - puissance) en fonction de leur susceptibilité réduit leurs interférences. -Soigner le tracé des pistes: éviter les fils longs, surtout ceux véhiculant des horloges à fréquence élevée (> Mhz) à cause des effets d’antenne et ceux véhiculant des signaux analogiques sensibles (faible niveau, étages d’entrées à impédance élevée, …). - limiter le dv/dt (par adjonction de réseau RC ou par programmation du slew rate pour les circuits FPGA). - Réduire le couplage par diaphonie en évitant les cheminements des pistes en parallèle sur de grandes longueurs. -Eviter les angles droits (rupture d’impédance) dans le tracé des pistes véhiculant des signaux haute fréquence (horloges). - Préfèrer des tracés de piste qui minimisent l’impédance de ligne et le rayonnement (tracé à l’anglaise) ou la diaphonie (tracé avec plan de masse ou piste de garde). « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques la conception des circuits imprimés: Exemple de tracés de pistes « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : les familles de circuits intégrés numériques Opter, lorsque c’est possible, pour des technologies offrant une bonne marge de bruit Marges de bruit de circuits intégrés TTL-LS et HC-MOS « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : le choix des composants passifs Utilisés à la périphérie des cartes électroniques, au niveau des entrées-sorties et des alimentations en énergie. Types Exemples Applications Parasurtenseur (suppression des surtensions) Eclateur, parafoudre, limiteur, Varistance, diode Zener, transorb, transil, varistor, Installation, alimentation, contrôlecommande, Circuits électroniques Transformateur, inductance, condensateur, filtre Alimentation, contrôlecommande Grillage, plan de masse, câble blindé, joint hyperfréquence, doigt de contact Transmission d'information, (armoire en site perturbé) Composants pour filtrage (atténuation de composantes spectrales en mode conduit) Composants pour blindage (atténuation de composantes spectrales en mode rayonné) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : le choix des composants passifs Utilisés à la périphérie des cartes électroniques, au niveau des entrées-sorties et des alimentations en énergie. Ex: Suppresseur de surtension « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : le choix des composants passifs Exemple: Protection de lignes : EMIF10-LCD03F3 de ST Microelectronics Caractéristiques principales: ■ Atténuation élevée dans la bande des fréquences téléphonie mobile (meilleur que -40 dB de 900 MHz à 2 GHz) ■ Faible tension d’écrêtage ■ Faible capacité de ligne (30 pF max) convenant pour les interfaces rapides ■ Temps de montée/descente maxi de 6 ns (10% - 90%) ■ Adapté pour les transferts à haut débit Compatible avec les standards : ■ IEC61000-4-2 niveau 4 sur les entrées et sorties – ±15 kV (décharge dans l’air) – ± 8 kV (décharge de contact) « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : la conception et le câblage des équipements (coffrets et baies) Chemins de câblage réalisés selon les règles suivantes : - Regrouper les câbles par catégorie : les câbles de puissance d’un côté, les câbles bas niveau de l’autre, éventuellement dans des goulottes séparées. - Les circuits nécessitant des informations bas niveau auront également leur propre fil de retour (0 volt) pour éviter les couplages par impédance commune. -La surface globale d’une boucle (distance entre un conducteur et son retour), doit être minimisée. Pour la transmission d’informations, l’utilisation de lignes torsadées permet de diminuer la susceptibilité aux couplages de mode différentiel. - Les câbles de mesures et de transmissions d’informations à faible niveau, doivent être à écran, celui-ci étant relié à la masse en un maximum de points. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les choix technologiques : la conception et le câblage des équipements (coffrets et baies) -Les goulottes doivent être, dans la mesure du possible, des goulottes métalliques. Ces goulottes sont interconnectées entre elles avec un contact électrique correct et interconnectées avec le réseau de masse. - Les câbles les plus sensibles, ceux de mesure par exemple, sont placés dans un angle. Ils bénéficient ainsi d’une protection accrue contre les rayonnements électromagnétiques. Leur écran, s’il existe, est relié régulièrement à la goulotte. « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les outils de CAO: deux familles de simulateurs : Ceux destinés à l’analyse de l’intégrité du signal lors du routage d’une carte (basés sur un moteur de simulation type SPICE par exemple). Points d’entrée: fichier Gerber + modèles IBIS « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Exemple: Boardsim de la suite HyperLynx « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques D’après doc CST Studio Suite Routage de la carte « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques D’après doc CST Studio Suite Modèles de transmission Intégration des modèles IBIS et des paramètres de routage « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques D’après doc CST Studio Suite: Intégrité des signaux « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Exemple de modèle IBIS d’un buffer d’entrée: « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Exemple de modèle IBIS d’un buffer de sortie: « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected]) La CEM dans la conception des équipements électroniques Les outils de CAO: deux familles de simulateurs : Ceux basés sur la représentation 3D de l’évolution du champ électromagnétique Source: CST Studio suite « Notions de Compatibilité Electro Magnétique » J.L. Boizard ([email protected])