Les Couplages Electromagnétiques Le rôle Imparti aux Composants
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1 2 Electromagnetic coupling phenomena involved in EMC 5 lightning, ESD, RF, transient…. Montée du potentiel à plusieurs MV Les Couplages Electromagnétiques May be characterized in terms of topology description and determination of type of EM coupling as cables, apertures, failure of shields… Le rôle Imparti aux Composants Electroniques Actifs 0V Un=220 kV _ Chute de tension transitoire Changement fugitif de l’état logique en sortie Parafoudre Ligne HT 4 7 8 Conductive coupling traveled on the supply line Conductive coupling Equipment to be disturbed Neutral Id Transmission line travelling low voltage Equipment B to be disturbed Equipment A Differential mode - Conductive coupling Exemple de couplage par Impédance commune Due to the ground impedance Id Vd Main electromagnetic coupling Transformateur Le parafoudre entre en court circuit dés l’apparition de la surtension, cependant son temps de réponse engendre en aval un transitoire résiduel Radiated or conducted disturbances 3 Phase 2 Un +5 V Breakdown or malfunction of Electronic component Effects of the source at the equipment level Coup de foudre direct Circuit logique + Entrance ways of the disturbances Exemple de couplage par conduction provoqué par le mode commun Exemple de couplage par conduction provoqué par le mode différentiel May be characterized by its amplitude and frequency spectrum Source of disturbance 6 Earth connection Supply line La surtension provoque l’amorçage d’un arc entretenu par Un Coup de foudre direct ǻVG Un=220 kV - Mutual coupling IG current flowing in the ground reference Ic / 2 Phase - Coupling due to electromagnetic field Neutral Ground Vc ǻV Common ground reference to equipment A and B Ic / 2 Vc Earth connection Common mode ǻVG = ǻZG IG ǻVG or part of this voltage appears at the input port of the equipment B 9 10 Transformateur A cause du temps de réponse du disjoncteur un courant de quelques kA sous 50 Hz parcourt le sol durant quelques périodes Ce phénomène peut produire entre deux prises de terre parallèles à la ligne une chute de tension ǻV de plusieurs milliers de Volt Current IG flowing on the ground circuit (earth) produces a voltage ǻVG of amplitude proportional to the ground impedance ǻZG Ic Disjoncteur Ligne HT Equipment to be disturbed 13 14 Exemple de couplage par champ Couplage par impédance commune provoqué par le plan de masse Mutual coupling Ei Power line Courant transitoire Circuit logique en cours de commutation VP IP Equipment B to be disturbed Equipment A Hr Tension parasite - Manque de normes ǻi Current IP and voltage VP traveled on the power line induce current and voltage on parallel line 0 Volt Plan de masse ǻz Common ground reference ǻV Référence Le rôle des composants actifs dans les mécanismes d’interférences électromagnétiques - Comportements exotiques Er ǻz Diff. mode Comm. mode Signal analogique de faible amplitude Source de champ Champ incident Low voltage L12 C12 Alimentation Hi Piste This coupling may be characterized in terms of per unit length mutual inductance ǻe_ + Sur un élément ǻz du circuit imprimé les composantes des champs résultants Er et Hr au voisinage de la piste créent une source de tension ǻe et une source de courant ǻi élémentaires L12 and capacitance C12 11 12 15 Coupling due to electromagnetic field Exemple de couplage par influence Source de perturbations Piste émettrice E Radiating source H - Résiduels de la foudre MHz Electromagnetic field Low voltage S Piste Champ magnétique Plan de masse Champ électrique Couplage par diaphonie entre deux pistes parallèles d’un circuit imprimé Equipment A 16 Etendue spectrale des sources électromagnétiques pouvant engendrer la destruction de composants actifs Equipment B to be disturbed Diff. mode Comm. mode Common ground reference The line connected between equipments A and B behaves as a receiving antenna electromagnetic field due to either a far source or near source induces on this line the differential and common modes disturbances . Effets physiques concernés - Destruction de composants - Mise en défaut de fonctionnement 0 - Décharges électrostatiques 0 MHz 300 - Impulsion électromagnétique nucléaire I.E.M.N. 0 MHz - Ondes pulsées Radars - Contribution à l’émission de perturbations 10 - High Power Microwaves H.P.M. 100 Bande étroite Autour de quelques GHz Bande très étroite au dessus du GHz ou bande très large 0 qq GHz 17 Principaux phénomènes physiques observés sur les composants actifs 18 22 fugitifs ou permanents Avance ou retard du signal logique en sortie du composant Action des IEM sur la phase des signaux logiques Tension résultante à l'entrée du composant lorsque : G=0 V Etat bas Dysfonctionnements Circuits logiques 21 Principaux phénomènes physiques observés sur les composants actifs Suite Erreurs fugitives lors des phases de validation de données Microprocesseurs ou Microcontrôleurs IEM 5V 0 Entrée Ve maxi Sortie Ve moy Dysfonctionnements permanents Emission durant le transit logique 5V 0 Ve(t) t T Signal de sortie sans IEM Interférences avec les signaux traités Amplificateurs opérationnels Apparition de tensions continues en sortie Génération de parasites lors des phases de commutation Composants électroniques de puissance Auto perturbations des circuits de commande des composants Démodulation du signal perturbateur 19 IEM +5 V 0 T E : source de tension induite par l’IEM Zi Ve Diode de protection du composant 25 26 Le courant différentiel Id dépend de l'intégrité des signaux propagés sur les pistes Source Composant non linéaire Id Id -20 dB / décade Id peut être déterminé au moyen de mesures ou par simulation théorique Les conditions de propagation matérialisées par des réflexions sur le composant non linéaire peuvent se traduire par des résonances sur le spectre du courant Id -40 dB / décade IJr IJ t 1/IJ Gabarit spectral d e Id log (f) 1/IJr -40 dB IJ Largeur de l'impulsion IJr Temps de montée et descente Le rayonnement est produit par le courant Id circulant sur les pistes 1/IJ f0 1/IJr 27 log (f) 28 Conclusion Cas des composants d'électronique de puissance Id Réseau 50 Hz Id provoque un champ magnétique transitoire Vd provoque un champ électrique transitoire Vd Le composant de puissance est équivalent à un interrupteur Suivant le mode de contrôle du composant on agit soit sur la dérivée du courant ou de la tension Contrairement au rayonnement des circuits imprimés où les normes imposent de mesurer le champ lointain rayonné, pour les circuits de puissance les normes imposent surtout une mesure du spectre des parasites transmis sur le réseau d'alimentation Sortie Etage d'entrée Etage à grand gain Etage de puissance f2 < f < 100 MHz génération d'une tension - Le comportement des composants en sensibilité comme en émission est caractérisé par d'importantes dispersions A caractéristiques nominales identiques les composants actifs peuvent réagir de façon toutes différentes vis à vis des paramètres considérés en CEM - Des normes internationales sont à l'étude dans le but de spécifier certaines caractéristiques intéressant la CEM - La prise en compte des caractéristiques CEM des composants électroniques actifs permet d'économiser sur les blindages et les filtres et de simplifier la topologie des circuits imprimés continue en sortie due au slew rate de l'étage à grand gain 100 MHz < f < 700 MHz la tension 0 dB G IEM Entrée f2 Coupure à 0 dB T : période de l’IEM Zi impédance interne de la source +E _ Gabarit spectral de e(t) Vs G0 t Comportement exotique e(t) + Signal analogique bas niveau Caractéristique de gain en tension E,H Composant actif non linéaire Boucle de C.R. Sortie Inverseur G Schéma équivalent de l’entrée du composant Source de signaux logiques Réseau de contre réaction Ve E, H Pistes du circuit imprimé 24 Principaux composants du schéma interne de l'amplificateur concernés par l'action des IEM _ Inductions sur les voies entrées sorties du composant e apparaissent les changements d'états logiques 23 +5 V 0 Parasite transitoire de tension zi Distorsion des fronts de transitions Comportement des amplificateurs opérationnels Conduction du parasite par les voies d’alimentation du composant Le rayonnement des composants Lorsque l'amplitude Signal de sortie avec IEM de l'IEM s'accroît encore d'amplitude plus importante si Ve moy > tension de seuil changement d'état permanent en sortie IEM Cas des signaux logiques L'IEM introduit le retard ou l'avance du signal de sortie 2) T< td 20 Champ EM L’action directe des champs électromagnétiques sur les composants est sans effet sauf pour les rayonnements ionisants nucléaires Signal de sortie avec IEM de faible amplitude si Ve maxi > tension de seuil du circuit changement fugitif d'état en sortie Dysfonctionnement engendré sur un circuit logique perturbé sur son entrée Action des I.E.M. sur les composants Matériau semi conducteur 1) T > td Temps de propagation du circuit td = 10 à 50 ns f fc Coupure à - 3 dB imposée par la C.R. Si la fréquence du perturbateur < f2 superposition des signaux Si la fréquence du perturbateur > f2 comportement exotique continue en sortie est surtout due au fonctionnement exotique de l'étage d'entrée f > 700 MHz transmission du perturbateur vers la sortie par les capacités parasites du composant et du circuit imprimé
