couplages des perturbations

ECOLE
SUPERIEURE de
PLASTURGIE
CEM : Couplages des Perturbations
COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE :
COUPLAGES DES PERTURBATIONS
1.
Introduction
La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) est l'aptitude d'un appareil électrique à
fonctionner dans un environnement électromagnétique déterminé sans être perturbé et sans perturber
les autres.
• Il doit avoir un niveau d'immunité ou "susceptibilité" suffisamment élevé.
• Il ne doit pas émettre trop de perturbations.
L’amélioration de la CEM est obtenue par différents types d’actions :
1. Diminution des sources externes
Par exemple, nous pouvons réduire les perturbations dues aux décharges électrostatiques
en augmentant l’humidité des locaux, en utilisant un sol antistatique etc.
2. Augmentation de la susceptibilité
Un système électronique peut être « durci » en choisissant les composants les moins
sensibles aux perturbations (différentes familles technologiques : TTL CMOS etc.)
3. Réduction des couplages
Pour une source externe déterminée, le niveau de perturbations reçues par un appareillage
dépend des couplages, c’est à dire du chemin de propagation entre la source et la victime.
Champ E
champ H
Chemin de
propagation
Source
Victime
Susceptibilité
Rayonnement
et conduction
Courants
parasites
Figure 1 Compatibilité Electromagnétique.
2.
Modes de propagation
Les perturbations peuvent se propager de deux manières : soit en conduction, soit en
rayonnement.
Dans le premier cas les perturbations interviennent soit en mode commun (MC) soit en mode
différentiel (MD).
Dans le second cas les perturbations sont rayonnées sous forme de champ électrique et de
champ magnétique.
19/06/01 CEM - couplages des perturbatio
1
CEM : Couplages des Perturbations
3.
Modèle des deux boites
3.1. 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.
IMD
Emetteur
VMD
Récepteur
Z
Liaisons à la
masse
Z
IMD
Figure 2 Mode différentiel.
La tension de mode différentielle est mesurée entre les 2 fils, elle peut être mesurée avec une
sonde différentielle. L’étage d’entrée des systèmes électroniques comporte souvent un amplificateur
différentiel.
Le courant de mode différentiel se boucle sur les 2 fils de liaison, il circule en sens opposé sur
chacun des fils.
Ce courant peut être mesuré au moyen d’une sonde de courant parcourue par les 2 fils en sens
opposé.
IMD
IMD
On mesure 2 IMD
Figure 3 Mesure du courant de mode différentiel.
3.2. Mode commun
Le mode commun est très peu utilisé pour les signaux utiles, il correspond souvent à un mode
parasite. Il est aussi appelé mode « parallèle », mode « longitudinal », ou mode « asymétrique ».
IMC/2
Emetteur
Récepteur
Z
Z
IMC/2
IMC
Figure 4 Mode commun.
Les tensions de mode commun se développent entre les fils de liaisons et la référence de
potentiel : masses des appareils, fil de protection équipotentielle PE.
2
CEM : Couplages des Perturbations
La tension de mode commun est définie comme étant égale à la valeur moyenne de la d.d.p.
entre les différents fils et la masse.
Le courant de mode commun est égal au courant qui s’écoule à la masse, ce courant se partage
entre les différents fils de liaison, dans le même sens sur chacun des fils.
Il peut être mesuré par une sonde de courant parcourue par les 2 fils dans le même sens.
IMC/2
IMC/2
On mesure IMC
Figure 5 Mesure du courant de mode commun.
3.3. Perturbations
Les signaux parasites des systèmes se superposent aux signaux soit en mode différentiel, soit
en mode commun.
eMD
Récepteur
Z
Z
Emetteur
eMC
Figure 6 Différents modes de perturbations.
Les perturbations de mode différentiel sont a priori plus gênantes car elles sont en série et donc
directement superposées aux signaux utiles : eMD.
Cependant les perturbations de mode commun : eMC sont généralement de bien plus forte
amplitude. De plus, elles se transforment très facilement en mode différentiel dès qu’il y a un
déséquilibre des impédances d’entrée des systèmes électronique.
En conséquence, ce sont les perturbations de mode commun qui posent le plus de
problèmes en CEM.
Z1
eMD
Z2
eMC
C1
C2
eMD ≠ 0
si
ou si
Figure 7 Conversion du mode commun en mode différentiel.
3
Z1 ≠ Z2
C1 ≠ C2
CEM : Couplages des Perturbations
3.4. Modèle des 2 boîtes
Le "modèle des deux boîtes" représenté par la Figure 8 regroupe les 2 modes : commun et
différentiel sur un seul schéma représentant une liaison bifilaire entre un émetteur et un récepteur.
I1
Emetteur
Récepteur
VMD
Z
V1
V2
Z
I2
IMC
Figure 8 Modèle des deux boîtes.
Les relations entre les courants et tensions du modèle des deux boîtes sont exprimées par les
équations :
VMC = V1 +V2
2
VMD = V1 - V2
IMC = I1 + I2
IMD = I1 - I2
2
4.
Etude des Couplages
La transformation des signaux issus des sources en signaux parasites pour les systèmes
électroniques est réalisée selon 6 modes de couplage :
- Couplage par impédance commune
- Couplage conducteur / plan de masse
- Couplage du champ électrique sur un conducteur
- Couplage du champ magnétique sur une boucle
- Diaphonie inductive
- Diaphonie capacitive
Ce découpage selon ces 6 modes permet de comprendre les mécanismes mis en jeu ainsi que
les actions à entreprendre pour améliorer la CEM en fonction de la prédominance d'un mode sur les
autres.
Cependant le couplage des perturbations fait toujours intervenir plusieurs modes simultanés.
4
CEM : Couplages des Perturbations
4.1. Couplage par impédance commune
Système 2
d.d.p. parasite
Z
Z
Système 1
Perturabtions
externes
Zmasse
Iparasite
Figure 9 Couplage par impédance commune.
La d.d.p. parasite qui apparaît est créée en mode commun.
Amélioration de la CEM :
1. Diminuer l'impédance de masse.
2. Limiter les courants qui circulent entre les masses des différents appareils.
Solutions :
1. L'impédance de la masse est minimisée par l'utilisation de fils de liaisons larges et courts.
En particulier, on veillera à utiliser des tresses métalliques larges pour relier les carcasses des
appareils à la masse.
L’utilisation de circuits multicouches permet de diminuer l’impédance de la masse des circuits
imprimés.
2. Les courants perturbateurs sont réduits si l’on réalise un maillage serré des masses.
Les circuits particulièrement sensibles pourront avoir une masse dédiée.
Exemple : la « masse informatique »
Attention cependant aux boucles formées dès
qu’un ordinateur est connecté à une machine qui n’est pas reliée à cette masse !
Les courants qui circulent dans les masses des circuits imprimés peuvent être réduits par un
bon découplage des alimentations.
Penser à bien découpler l’alimentation des circuits intégrés numériques, ces derniers
consomment un pic de courant à chaque commutation de leurs portes logiques.
Les courants parasites peuvent avoir moins d’influence si on prend garde à répartir les
fonctions sur les circuits imprimés : il faut alimenter les étages perturbateurs en premier, il
faut séparer les masses des étages numériques et analogiques.
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CEM : Couplages des Perturbations
4.2. Couplage conducteur/plan de masse
Circuit imprimé
Plan de masse
ddp à l’origine
des parasites
Cparasite
Iparasite
Figure 10 Couplage conducteur/plan de masse
Les courants parasites apparaissent en mode commun.
Amélioration de la CEM :
1. Minimiser les tensions sources de perturbation.
2. Réduire les capacités parasites entre les conducteurs et le plan de masse.
Solutions :
1. Limiter les variations temporelles des tensions (dV/dt) sur les conducteurs, boîtiers, etc.
Par exemple, utiliser des signaux d’horloge sous forme de trapèze.
Mauvais
Bon
2. Dans le cas d’applications analogiques bas niveaux et basses fréquences on peut isoler le
circuit de la masse pour limiter les courants parasites.
C’est le cas des capteurs bas niveaux isolés.
Dans tous les autres cas, il ne faut pas isoler le circuit car on minimise ce type de
couplage, mais on favorise alors fortement d’autres couplages qui sont beaucoup plus
gênants : isoler le circuit ne protège pas des perturbations hautes fréquences.
Il est possible d’augmenter l’impédance du 0V de
certains circuits ne devant pas être laissés flottants en
reliant le 0V à la masse par une inductance L.
Mais il apparaît des surtensions lorsqu’il y a de forts
courants parasites (en cas de décharges
électrostatiques par exemple).
De plus, l'amélioration apportée est limitée en hautes
fréquences par la capacité parasite inter-spires de
l'inductance.
6
Circuit
L
Cinterspires
Figure 10 Mise à la masse par
liaison inductive
CEM : Couplages des Perturbations
4.3. Diaphonie capacitive
Fil source
Cparasite
Iparasite
Z
ddp à l’origine des parasites
Fil victime
Figure 11 Diaphonie capacitive.
Amélioration de la CEM :
1. Minimiser les tensions sources de perturbation.
2. Minimiser la capacité entre les fils.
3. Favoriser l’écoulement des courants parasites.
Solutions :
1. Limiter les variations de tension sur les fils, dV/dt.
2. La capacité parasite peut être diminuée en éloignant les fils pollueurs des fils sensibles,
éviter les fils parallèles.
Utiliser des écrans entre les conducteurs, des effets réducteurs.
La répartition des conducteurs dans les câbles en nappe doit tenir compte de la nature des
signaux : il faut intercaler des fils de masse entre les fils d’horloge et les fils bas niveaux, il
faut regrouper les fils numériques, les fils analogiques.
3. Les courants induits s’écoulent plus facilement à la masse lorsque l’impédance terminale
des conducteurs est faible : les liaisons à basse impédance sont moins sensibles à la
diaphonie capacitive.
4.4. Diaphonie inductive
Mutuelle M
Courant à l’origine
des parasites
Z
Z
ddp parasite
induite
Plan de masse
Figure 12 Diaphonie inductive.
Amélioration de la CEM :
1. Limiter les courants sources de perturbations.
2. Diminuer la mutuelle entre les fils.
3. Minimiser la valeur de la tension induite.
7
CEM : Couplages des Perturbations
Solutions :
1. Limiter les variations de courant dans les fils, dI/dt :
Bien découpler les alimentations en entrée de carte pour éviter les pics de courants sur les
lignes d’alimentation.
Faire attention au choix du type de diode dans les hacheurs, elles peuvent induire de forts
pics de courants lors du blocage.
2. Diminuer la mutuelle en éloignant les conducteurs polluants et les conducteurs sensibles.
Câbler séparément les fils de puissance et les fils de commande.
Choisir une bonne répartition des conducteurs dans les câbles en nappe tout en multipliant
les conducteurs à 0 V.
Utiliser des câbles coaxiaux.
3. Les courants induits sur le conducteur victime sont plus faibles si l’impédance de la
boucle formée par ce conducteur est élevée : Augmenter l'impédance terminale des
liaisons.
Les liaisons à haute impédance sont moins sensibles à la diaphonie inductive.
4.5. Couplage du champ E sur les conducteurs
Champ Ε
Courants parasites
Figure 13 Couplage champ Ε sur conducteur.
Amélioration de la CEM :
1. Diminuer les champs perturbateurs.
2. Diminuer l'effet d'antenne.
Solutions :
Champ incident
Εi
1. Utiliser des blindages.
Utiliser des plans de masse : le champ qui s'y
réfléchit, a un déphasage de 180° et interfère
avec le champ incident.
Εi + Εr
2. Orienter les conducteurs en fonction de la
polarisation des champs incidents.
Diminuer la longueur des pistes sensibles.
Champ réfléchit
Εr
Plan de masse
Figure 13 Réduction du champ
par un plan de masse.
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CEM : Couplages des Perturbations
4.6. Couplage du champ H sur une boucle
Champ Η
ddp parasite
Figure 14 Couplage champ Η à boucle.
Amélioration de la CEM :
1. Diminuer les champs perturbateurs.
2. Diminuer l'effet d'antenne.
Solutions :
1. Il est très difficile de réaliser un blindage des champs magnétiques basses fréquence car il
faut alors utiliser des matériaux à forte valeur de perméabilité µ, ils sont d’un coût très
élevé.
En haute fréquence, le blindage est obtenu avec des matériaux conducteurs où se
développent des courants de Foucault qui créent un champ en opposition avec le champ
incident.
2. Diminuer la surface de la boucle victime :
Câbler les conducteurs par paires : le courant aller doit toujours être à coté du courant de
retour du signal.
Utiliser des fils d'accompagnement.
Les paires torsadées permettent de diminuer la surface
de la boucle entre 2 conducteurs en alternant le sens
des boucles par rapport au champ incident.
4.7. Chemin de propagation
+
-
+
-
Des solutions permettent de s’opposer à la propagation des perturbations le long des fils, ces
solutions peuvent agir soit en mode commun, soit en mode différentiel.
Protection par ferrites :
- en mode commun, la ferrite entoure les deux conducteurs
- en mode différentiel, chaque ferrite n'entoure qu'un seul conducteur
Protection du mode commun
Protection du mode différentiel
Figure 15 protection par ferrite.
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CEM : Couplages des Perturbations
Isolation du mode commun par optocoupleurs, liaisons optiques, câbles spéciaux (câbles
gainés d’un polymère conducteur) etc.
Evacuation du mode commun par un transformateur à point milieu :
IMC
IMC
Figure 16 Evacuation du mode commun par transformateur à point milieu.
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