Compatibilité électromagnétique

Compatibilité électromagnétique
PLAN
Présentation générale
-
Les enjeux de la CEM
-
Les différents domaines
PLAN
Les fondements physiques de la CEM
-
Rappels d’électromagnétisme
Les ondes électromagnétiques
Les différentes sources de perturbation
Perturbation/Susceptibilité &
Rayonnement/conduction
Premières notions de protection
PLAN
L’Impulsion ElectroMagnétique Nucléaire
- Origines physiques de l’IEMN
- Conséquences potentielles d’une IEMN
- Techniques de protection
PLAN
La Foudre
• Origines physiques et caractéristiques principales
• Effets directs et effets indirects
• Les trois aspects de la protection foudre : maîtrise du
point d’impact, équipotentialité, protection secondaire
PLAN
Les Micro-ondes de Forte Puissance
• Les sources
• La propagation et le couplage
• Les techniques de protection
PLAN
Le TEMPEST
• Le risque d’espionnage
• Les modes de couplages
PLAN
Protection en Rayonnement
• Matériaux
• Ouvertures
• Câblages
PLAN
Protection en Conduction
• Composants et circuits
• Câbles et connecteurs
PLAN
• Techniques de simulation
• Moyens d’essais
• Normalisation
Présentation générale
-
Les enjeux de la CEM
-
Les différents domaines
La CEM est l’une des composantes
du durcissement
Le durcissement c’est la protection des
équipements et système vis-à-vis des
environnements électromagnétiques et
radiatifs, naturels et provoqués
Electromagnetic Vs Radiation
Electromagnetic
• Electromagnetic waves
(10 kHz – 18 GHz)
• Mitigation techniques based
on shielding (Faraday
cabinet) and protection
devices
• From system to components
Radiation
• Particles (electrons ; protons ;
neutrons ; heavy ions …) &
X rays ; γ rays
• Mitigation techniques based on
analysis at the transistor level
• From components to system
Environments
radiatifs
•Commercial nuclear industry
• Military (nuclear burst)
•Particle physics
environment
•Medical application
• Space environment
• Atmospheric & ground effects
Effets des neutrons atmosphériques
Vdd
Vdd
Vdd
"0"
"1"
"1"
P1
Off
Vss
B
N
N1
Off
Off
A
B
N
Off
N2
P2
On
On
A
On
"0"
P1
P2
N1
On
N2
P
Vss
Vss
Transistor NMOS of a memory cell SRAM
Effets au sol : burnout sur les
thyristors de TGV induits par
neutrons
Effets au sol : impact sur les nouveaux composants
Strong impact for CMOS < 0,1 µm
Atmospheric
neutron
Présentation des causes de vulnérabilité
électromagnétique
• Pervasion de l'électronique dans les équipements et
systèmes
• Sensibilisation accrue des composants (e. g.
diminution des tensions d'alimentation)
• Utilisation de COTS (Components Off The Shelf)
• Diminution des blindages (matériaux composites,
boîtiers plastiques)
Road map des semi-conducteurs
1995
1998
1999
2002
2005
2008
2011
2014
0,35 µm
0,25 µm
0,18 µm
0,13 µm
0,1µm
(100 nm)
70 nm
50 nm
35 nm
Tension d'alim
3,3 V
2,5 V
1,8 V
1,3 V
0,9 V
0,6 V
0,5 V
Taille mémoire
(DRAM )
64 M
256 M
1G
2G
16 G
64 G
256 G
Fréquence
200 MHz
500 MHz
700 MHz
1,5 GHz
3 - 5 GHz
5 - 8 GHz
8 - 10 GHz
Nb de transistors par
cm² (millions)
4
7
7
18
44
90
150
200
Nombre de plots
(ASIC)
750
1100
1100
1700
2200
3000
4000
6000
20 (8 ")
20 (8 ")
30 (12 ")
30 (12 ")
45 (18 ")
45 (18 ")
Largeur de grille
____
____
Diamètre du wafer
cm ( pouces)
Classification des perturbations
♦Naturelle : Foudre
♦Intentionnelle : IEMN, High Power
Microwave (HPM), High Intensity
Radiated Fields (HIRF)
♦Fonctionnelle : CEM
Classification des perturbations
La « menace » peut être :
- Continue (CEM)
- Impulsionnelle (IEMN,
Foudre)
- Répétitive (HIRF, HPM)
- De fort niveau (IEMN,
HIRF, HPM)
- De faible niveau
(Tempest)
Les différents domaines
♦ CEM
♦ IEMN
♦ Foudre
♦ HIRF
♦ HPM
♦ Tempest
1. Compatibilité électromagnétique (CEM)
Compatibilité électromagnétique : Définition
La CEM c’est “l’aptitude d’un
dispositif, d’un appareil ou d’un
système à fonctionner dans son
environnement
électromagnétique de façon
satisfaisante et sans produire luimême des perturbations
électromagnétiques intolérables
pour tout ce qui se trouve dans
cet environnement”
Compatibilité électromagnétique : Enjeux
La CEM a trois enjeux
♦ Fonctionnel (e.g mixité des fonctions :
logique, analogique, puissance)
♦ Financier (coût élevé d’un retrofit)
♦ Légal : FCC aux USA, marquage CE en
Europe (obligatoire depuis le 01/01/96),
etc.
Le risque CEM
Le risque CEM
Le risque CEM
Aptitude à fonctionner dans l’environnement
électromagnétique ambiant :
Aptitude à ne pas produire des perturbations
électromagnétiques intolérables :
Tous les équipements et systèmes électroniques sont
concernés par la CEM
Labo CEM
mobile
Labo CEM fixe
Instrumentation CEM
Coût de la CEM
Principes de CEM
2. HIGH INTENSITY RADIATED
FIELDS (HIRF)
• An increasing number of equipments and
systems has to withstand strong high frequency
electromagnetic environment
• For instance civilian and military electronic
aircraft equipments encounter severe High
Intensity Radiated Field (HIRF)
3. HIGH POWER MICROWAVE (HPM)
High Power Microwave (HPM) sont des
armes capables de perturber ou détruire
les systèmes électroniques
Générateur pulsé
500 MW
Menace HPM : exemple
4. Impulsion électromagnétique d’origine
nucléaire (IEMN)
5. Foudre
Foudre
• On the average there is 3 lightning strikes per km2
per year
• Two kinds of effects are to be considered ; direct
effect (physical destruction), and indirect effects
(electromagnetic coupling)
• Because equipments and systems involve more
and more electronics and as electronics devices are
more and more sensitive, the indirect effects of
lightning are more and more severe (with a range
up to 1 km from the strike)
Techniques de protection : blindage + protections filaires
Exemple
6. TEMPEST
• By monitoring the electromagnetic emission of
equipment, sensitive data can be obtained,
despite protection by both security zone and
encryption
• TEMPEST techniques allow to avoid spurious
signal and hence electronic spying
• TEMPEST
is
part
of
COMmunication (SECOM)
SEcurity
of
Quelques notions d’électromagnétisme
Electrostatique : observations
experimentales
Electrical field
The electrical field vanishes in a
metal at equilibrium (Faraday
shielding principle)
Metal is a gas of electron
Cage de Faraday : la protection contre le champ
électrique est basée sur les lois de l’électrostatique
Electrostatique : modélisation
Coulomb’s law
ur
f =
r
qu
4πε 0 r
2
ur ρ
divE =
Théorème de Gauss
Le champ dérive d’un potentiel
ε0
ur
ro t E = 0
Magnétostatique : observations
expérimentales
Permeability µ > 1
e. g : steel ; mumetal, …
Le blindage magnétique est fondé sur les lois de la
magnétostatique
Magnétostatique : modélisation
Biot & Savart’s law
uur r
ur μ idl ∧u
B= 0 ∫ 2
4π r
ur
ur
∂B
rot E = −
∂t
Théorème d’Ampère
Le champ magnétique dérive
d’un potentiel vecteur
ur
div B = 0
Induction électromagnétique : modélisation
Induction : experimental observations
L’induction est à la base des
aspects de couplage
Lois de l’induction
I
dΦ
d
e=−
= − ( BS )
dt
dt
•
•
•
•
•
e = Ri
e and i are increasing when :
B increases, so when I increases (B ∼ I)
S increases, so when the coupling surface increases
d/dt increases, so when dt decreases (e.g short rise time)
or when the frequency increases
Lois de l’induction
e=−
I ≈ I0e
dΦ
d
= − ( BS )
dt
dt
jω t
⇒ B ≈ B 0 e jω t ⇒ e ≈ ω e 0 e jω t ⇒ i ≈ ω i 0 e jω t
Bl = μ 0 I ⇒ e ≈
dI
e=L
dt
e = Ri
(self induction) or
dB
dI
⇒e≈
⇒
dt
dt
e=M
dI
dt
(mutual induction)
La synthèse : Les équations de
Maxwell – Lorentz
ur ρ
divE =
ε0
ur
d iv B = 0
ur
ur
∂B
rot E = −
∂t
ur
ur
r
∂E
rotB = μ0 j + ε0μ0
∂t
War es ein Gott der
diese zeichen schrieb ?
Goethe (Faust)
Est-ce un Dieu qui
écrivit ces signes ?
L. Boltzmann
ur
ur r ur
f = q(E + v ∧ B)
Conséquence :
Les ondes électromagnétiques
Le spectre électromagnetique
1023 Hz
1014 Hz
3 GHz
3 kHz
Spectre électromagnétique : fréquence
ou longueur d’onde ou énergie
f, λ, E
λ.f = c
E = h.f
Utilisation du spectre
électromagnétique
Utilisation du spectre
électromagnétique
Impédance d’onde
Monopole source = high impedance
field = electric field predominance
Capacitive coupling
Loop source = low impedance
field = magnetic field
predominance
Inductive coupling
Impédance d’onde
I Electric field / high impedance
II Near field / induction field
III Magnetic field / low impedance
IV Far field / radiation regime
Environnement électromagnétique : ordres de grandeur
•IEMN
•50000 V/m
•Radars
•200 V/m
•Emetteurs
•10 V/m
•Zone urbaine
•10 mV/m
•Sensibilité des recepteurs
•1 µV/m
Pour comparaison les niveaux de vulnérabilité sont :
3 V/m pour des équipements civils COTS
10 V/m pour les équipements militaires standards
200 V/m pour les équipements aéronautiques
> 200 V/m pour des équipements spécifiques
Environment électromagnétique
Comparaison des différents environnements
Menace
Portée
Directivit
é
Spectre
IEMN
Milliers de
km
Semi
isotrope
100 kHz à
10 MHz
Foudre
Dizaine de
km
Isotrope
1 kHz à
100 kHz
Forme
d’onde
Double
exp.
Niveau
50 kV/m
τ = 10 ns ;
T1/2 = 200
ns
(600
W/cm²)
Double
exp.
1 kV/m
τ = 4 μs ;
(∼1
W/cm²)
t1/2 = 20 ns
HIRF
∼ km
Directif
100 MHz à
10 GHz
Pulse
répétitif
200 V/m à
10 kV/m
(10mW/cm
²-25
W/cm²)
HPM
qq km
Directif
1-10 GHz
Divers
>60kV /m
(>kWcm²)