reduction du bruit emis par microcontroleur a l`aide d

REDUCTION DU BRUIT EMIS PAR MICROCONTROLEUR
A L’AIDE D’ABSORBANTS FERROMAGNETIQUES
L. BOUHOUCH1, E. SICARD2, M. FADEL3
1 Département Génie Electrique, EST d'Agadir, Université Ibn Zohr, B.P. 33/S, 80000 Agadir, Maroc.
2 INSA-DGEI, 135 Avenue de Rangueil, 31077 Cedex - Toulouse - France.
3 Laboratoire d’Electronique, d’Automatique et de Traitement du Signal (LEATS), Faculté des Sciences,
Université Ibn Zohr, BP 8106, 80006 Agadir.
Résumé :
Dans ce papier, après une étude bibliographique, sont exposés la technique et les résultats de mesure
concernant la réduction de l’émission de bruit électromagnétique. La méthode proposée ici consiste à plaquer
contre le boîtier d’un microcontrôleur, des absorbants ferromagnétiques telles qu’une lame de nickel ou un film
d’alliage NiFe (type Permalloy). Il sera alors étudié, dans les deux cas, le taux de réduction de bruit émis. Ce qui
pourrait, en partie, résoudre quelques problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) dus aux bruits émis.
Mots clés : Réduction d’émission, Absorbant ferromagnétique, Alliage NiFe, CEM, Microcontrôleur.
1. Introduction
Un appareil est considéré comme compatible d’un point de vue électromagnétique (compatibilité
électromagnétique), s'il continue à fonctionner, dans un environnement électromagnétique perturbé et dans le
même temps ne contribue pas à ces perturbations. Cependant le développement en technologie des semi-
conducteurs (réduction des dimensions des transistors composants un processeur) et les avancées des techniques
digitales [1] ont rendu les dispositifs électroniques de plus en plus performants, bruyants et sensibles. Leur
structure devenant ainsi plus complexe et le nombre croissant de circuits mis en interconnexion dans un espace
étroit grâce à une intégration toujours plus poussée, posent des problèmes sérieux en CEM principalement dus
aux bruits de commutation simultanée.
Concernant la complexité des circuits intégrés et l’augmentation des fréquences d’horloge, en 1965, Gordon
Moore cofondateur d'Intel, publie une vision prospective de l’évolution des circuits intégrés. Se basant sur
l’augmentation régulière de la complexité des circuits intégrés, il extrapole la tendance et prévoit une évolution
exponentielle de la capacité des mémoires et des performances de calcul des processeurs, avec un doublement
tous les ans [2]. Même si cette « Loi de Moore » subit des redressements tous les 18 mois, elle reste encore la
référence aujourd’hui (Figure 1).
Figure 1. Loi de Moore [2] et l’évolution des processeurs comparés aux données réelles [3].
En outre, le bruit d'émission rayonnée par la majorité des dispositifs électroniques change selon chaque
matériel ; ce n'est pas le bruit d’une fréquence particulière, mais le bruit d’une large bande fréquentielle, qui rend
réellement difficile de trouver une solution au problème de CEM et en particulier pour les bandes de fréquences
qu’il ne faut pas perturber (100 MHz : FM, 430 MHz : Radio locale, 900 MHz-1.9 GHz : Téléphonie mobile,
2,45 GHz-5.8 GHz : Communication sans fil Wifi, Blutooth et Wimax).
Des efforts considérables sont déployés par les fondeurs, en collaboration avec des laboratoires afin de
résoudre ce problème de bruits lié aux exigences de la CEM.
Durant ces dernières années, plusieurs études et recherches aussi bien expérimentales que théoriques
concernant la réduction des bruits émis, ont eu lieu au niveau des câbles d'interface et des dispositifs à semi-
conducteur.
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En effet des investigations ont été faites en 1993 [4] sur les phénomènes absorbants de micro-onde par
différents types de ferrites, pour la gamme de fréquence 200 MHz-16 GHz. Ces dernières investigations ont
montré que l’effet d’absorption de micro-onde, dépend de la perméabilité complexe des ferrites qui dépend des
fréquences de résonance des ferrites.
D’autres études dans le domaine avionique et militaire [5], ont montré les avantages combinés poids et CEM
concernant la distribution électrique à travers des conducteurs d’aluminium recouvert de couches magnétiques
spéciales. Durant cette dernière étude, l’auteur confirme des atténuations allant de 10 à 20 dB/m à la fréquence
de 1GHz.
En outre Fujio Amemiya et al. [6] ont étudié l'effet de réduction d'émission des câbles d'interface en utilisant
des films amorphes d’alliage magnétique remplaçant les noyaux de ferrites encombrantes. Ces films d’alliage
magnétique sont généralement caractérisés par une perméabilité relativement élevée aux hautes fréquences. Ces
auteurs ont effectivement constaté que la réduction de bruits, est similaire à celle obtenue avec des noyaux de
ferrite, pour un encombrement moindre.
Par ailleurs Hiroshi Ono et al. [7] ont étudié et analysé théoriquement et expérimentalement l'effet
d’absorption de bruit, en haute fréquence et en champ proche, par une feuille magnétique placée sur une ligne
micro-ruban. Après mesure et calcul des caractéristiques de rayonnement de la ligne micro-ruban, ces auteurs ont
confirmé que l'effet de suppression est obtenu principalement par une perte magnétique de la feuille absorbante
de bruit.
La méthode la plus plausible qui pourrait résoudre le problème d'émission de bruit, étudiée 2000 par Soo-
Hyung Kim et al. [8], consiste en l’introduction d’absorbants d’ondes électromagnétiques, au sein de la matrice
de la puce à semi-conducteur au moment de sa conception. Mais pour l’exploitation de cette méthode, il y a
réellement beaucoup de contraintes technologiques. Selon les auteurs de cette étude, l'évaluation du bruit
rayonné d'émission en appliquant un absorbant enduisant le dispositif à semi-conducteur, confirme que le bruit
d'émission diminue d’environ de 3 dB jusqu'à 20 dB selon la fréquence.
Dans notre cas, nous nous intéressons à la réduction d’émission de bruits en champ proche, par un
microcontrôleur 16 bits, de type MC68HC912 de Freescale, cadencé par une horloge interne de 16 MHz.
2. Principe de mesure
Dans nos investigations sur la réduction d’émission de bruits nous avons adopté le principe illustré par le
schéma de la figure 2.
Figure 2. Principe de mesure du bruit émis par microcontrôleur avec absorbant magnétique.
La couche absorbante plaquée contre le boîtier du microcontrôleur, est une lame de nickel d’épaisseur 0,2 mm
(200 µm) ou bien une fine pellicule d’alliage NiFe (le Permalloy) d’épaisseur 20 µm. La sonde de mesure est
une simple sonde d’oscilloscope que l’on fait déplacer à quelques micromètres de la surface du boîtier du HC12.
La position de la sonde sur le boîtier est très importante, car l’émission de bruit dépend de la zone active de la
puce. Par exemple, nous avons effectué une série de mesures d’abord sans exécution de programme (Reset) par
le HC12, ensuite en faisant commuter les entrées-sorties (I/Os) de ce microcontrôleur. Afin d’évaluer la
réduction de bruits émis, dans les deux cas, nous procédons à la mesure avec et sans absorbant ferromagnétique.
Les spectres types obtenus sont donnés sur les figures 3 et 4.
3. Mesures et discussion
La première partie de l’étude consiste en la mesure d’émission de bruit émis par le microcontrôleur HC12
alimenté mais sans programme embarqué (Reset). Les spectres de mesure obtenus sont donnés sur la figure 3.
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Figure 3. Spectres d’émission avec et sans absorbant en Ni ou NiFe lors du reset du HC12.
Sur ces trois spectres, les raies spectrales les plus intenses (harmoniques de 16 MHz) correspondent à l’activité
du circuit d’horloge, intégré dans la puce du microcontrôleur. Cette circuiterie, est en effet implantée du coté des
broches appelées XTAL [9], justifiant ainsi le choix de cette position pour la sonde de mesure.
Figure 4. Ecarts d’amplitude d’émission donnants la réduction de bruit selon l’absorbant Ni ou NiFe lors du
reset du HC12.
En comparant, par calcul les écarts entre les amplitudes de l’émission avec et sans absorbant (Figure 4), on peu
conclure qu’une réduction de bruit appréciable est enregistrée sur une grande gamme de fréquence ; un peu plus
que 5 dBµV de 0 à 250 MHz. Cette réduction du bruit émis, s’approche de 15 dBµV, au alentour des fréquences
32 MHz et 48 MHz respectivement pour l’absorbant en Ni et en NiFe. Cette atténuation de bruit, enregistrée
dans le cas du HC12 au « Reset », est tout de même légèrement inférieure aux valeurs données par ailleurs [8].
La deuxième partie de l’étude consiste en la mesure d’émission de bruits lorsque l’on fait commuter les buffers
de sorties (I/Os) du microcontrôleur HC12. Les spectres de mesure sont donnés sur la figure 5 ci-après.
Les spectres de cette figure, sont obtenus en plaçant la sonde de mesure au-dessus de la circuiterie
correspondant au port B du HC12. Ceci se justifie par le fait que cette circuiterie entre en activité lorsque nous
procédons à la commutation des I/Os du port B. Nous constatons que les harmoniques de 16 MHz,
correspondants à la fréquence d’horloge, sont noyées dans d’autres raies spectrales. Ceci est dû au fait que la
mesure est effectuée loin des rails menant cette fréquence d’horloge. Ces mesures montrent que les raies sont
plus intenses aux faibles fréquences et s’atténuent de plus en plus vers les hautes fréquences. Les raies observées
correspondent en majorité aux harmoniques de 2 MHz. Cette fréquence correspond à la fréquence de
commutation des I/Os du HC12.
Figure 5. Spectres d’émission avec et sans absorbant en Ni ou NiFe lors de la commutation des I/Os du HC12.
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La comparaison est faite sur les écarts, entre les amplitudes de l’émission avec et sans absorbant données sur la
figure 6. On peu en conclure, qu’une réduction de bruit significative est relevée sur une bonne gamme de
fréquences ; un peu plus que 10 dBµV de 0 à 250 MHz. La réduction du bruit émis, s’approche de 20 dBµV, au
alentour des fréquences 16-48 MHz et 80 MHz respectivement pour l’absorbant en Ni et en NiFe. Dans le cas de
la commutation du port B du HC12, l’atténuation de bruit enregistrée est en accord avec les valeurs annoncées
par ailleurs [8].
Figure 6. Ecarts d’amplitude d’émission donnants la réduction de bruit selon l’absorbant Ni ou NiFe lors de la
commutation des I/Os du HC12.
On remarque, dans les deux cas de mesure, que la position des raies atténuées dépend de l’absorbant utilisé. En
effet chaque matériau ferromagnétique possède une certaine perméabilité magnétique µ, plus ou moins
importante qui dépend de la fréquence du champ magnétique externe [4, 6].
4. Conclusion
Dans cet article, nous avons montré l’intérêt de l’utilisation d’une couche absorbante ferromagnétique, afin de
satisfaire certaines exigences de la CEM en atténuant l’émission de bruit générée par un microcontrôleur. Dans
notre cas nous avons mis en évidence, que malgré la faible épaisseur du film de Permalloy, il joue un rôle
important en tant qu’absorbeur d’ondes électromagnétiques. L’effet d’atténuation d’émission, allant de 5 dBµV à
20 dBµV, fonction de la gamme fréquentielle allant de 0 MHz à plus que 400 MHz, est sans doute lié au fait que
cet alliage possède une grande perméabilité magnétique µ selon la littérature. En outre, la technique proposée est
beaucoup moins onéreuse et ne pose aucune contrainte technologique, par opposition à la technique utilisée par
ailleurs et qui demande à enduire le semi-conducteur d’un absorbant au sein de la matrice de la puce.
Afin d’améliorer la réduction de bruit dans de bonnes proportions, nous proposons d’enrober presque la
totalité du boîtier du composant source de bruit, par un dépôt de couche d’alliage type Permalloy. Cependant, la
tenue en température du matériau et la conservation de ses qualités de filtrage restent à prouver dans les
conditions extrêmes d’utilisation du composant et pour sa durée de vie.
Référence
[1] ITRS SIA Roadmap, http://public.itrs.net/
[2] G. E. Moore, "Cramming more components onto integrated circuits", Electronics, Vol. 38, N° 8, (1965).
[3] Guy Champiot, "La CEM : Technologie, réglementation, normes", Dunod, Collection Les Référentiels
Dunod CEM, (2005).
[4] J.Y. Shin and J.H. Oh, "The microwave absorbing phenomena of ferrite microwave absorbers", IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 29, no.6, (Nov. 1993), 3437-3439.
[5] F. Mayer, "Electrical power and signal distribution in modern aircrafts, combines weight advantages and
EMC compatibility", IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Vol. 1, (1998), 281-283.
[6] F. Amemiya, K. Takagi, T. Mori, N. Kuwabara, S. Hamada, Y. Iwamoto, "Investigation of emission
reduction effect from interface cables using amorphous magnetic-alloy film", IEEE International Symposium on
Electromagnetic Compatibility, Vol. 1, (2002), 155-160.
[7] H. Ono, Y. Takase, S. Yoshida, O. Hashimoto, "Analysis on noise suppression effect of the composite
magnetic sheet for the use in near field", EMC '03. IEEE International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, Vol. 2, (2003), 938-941.
[8] Soo-Hyung Kim, Seung-bae Lee, Kyung-Il Ouh, Chae-Bog Rim, Kyoung-Sik Moon, Ho-Gyu Yoon, Tak-Jin
Moon, "Reduction of radiated emissions from semiconductor by using absorbent materials", IEEE International
Symposium on Electromagnetic Compatibility, Vol. 1, (2000), 153-156.
[9] 68HC912D60 and 68HC12D60, Advance Information, Rev 2.0, by Motorola, (July 27, 2000).
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