Compatibilité électromagnétique

Compatibilité électromagnétique
Tout système électrique et électronique génère des perturbations électromagnétiques rayonnées ou
conduites par le réseau de distribution d’énergie (si le système est relié au réseau). Il est lui-même
perturbé par les systèmes voisins.
La compatibilité électromagnétique ou CEM est l’étude des sources de perturbations, de l’effet de ces
perturbations sur les victimes (susceptibilité électromagnétique), et du mode de couplage entre le
perturbateur et les victimes.
Couplage
Perturbateur
Victime
A partir de ces études un certain nombre de normes ont été définies, afin de limiter les perturbations
produites par un système et éventuellement de garantir une faible susceptibilité des systèmes. Ces
normes interviennent aujourd’hui dès la conception d’un système. Il est en effet beaucoup plus simple
de concevoir un système en tenant compte des normes plutôt que de le modifier par la suite pour l’y
faire entrer.
L’objectif de cet exposé est de donner les bases minimales nécessaires à la compréhension de la
CEM.
1 Notions préliminaires
1.1
La masse
ou
La masse d’un système électronique est le potentiel qui va servir de référence ; il est fortement
souhaitable que ce potentiel soit le même pour tous les composants, faute de quoi la transmission
d’information entre les diverses fonctions d’une carte électronique risque de devenir hasardeuse. On
essaiera donc de maintenir le potentiel de masse d’une carte électronique, voire de tout un système,
identique quel que soit le point de mesure.
1.2
La terre
Le potentiel de la terre peut être considéré, en première approximation, comme constant dans le
temps et dans l’espace. La terre constitue donc une référence naturelle. Relier la masse d’un système
électronique à la terre constitue un bon moyen de fixer le potentiel de la masse (ce qui ne garantie
pas que ce potentiel soit le même sur toute la carte), mais surtout d’évacuer les perturbations comme
nous le verrons. Cette liaison n’est cependant pas toujours possible (appareils portables, absence de
conducteur de terre dans l’alimentation, etc…).
1.3
Propagation d’un signal en mode différentiel et en mode commun
Dans la quasi-totalité des cas, la propagation du signal utile se fait en mode différentiel, c’est à dire
que le courant utilise deux fils d’un même câble pour circuler, l’un dans le sens aller le second dans le
sens retour. La tension différentielle est alors la différence de potentiel entre ces deux conducteurs.
câble
conducteur aller
conducteur retour
IDIF
VDIF
IMC
IMC/ 2
VMC
Denis Rabasté
IMC/ 2
1/9
IDIF
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compatibilité électromagnétique
Il existe un autre mode de propagation, appelé mode commun, où le courant utilise le câble comme un
conducteur unique. La tension de mode commun est alors la différence de potentiel entre le câble et
la terre ou éventuellement la masse.
Ce mode de propagation est dans la quasi-totalité des cas parasite.
L’analyse des couplages des perturbations étant généralement plus facile en raisonnant sur des
courants, nous parlerons de préférence du courant de mode commun plutôt que la tension de mode
commun.
Un courant de mode commun circule généralement à travers une boucle dont le chemin aller constitue
un câble et le chemin retour un autre câble ou la terre, ou la masse comme le montre la figure
suivante.
câble de liaison
équipement
mis à la
masse
équipement
isolé
capacité
parasite
IMC
L’origine de ce courant peut être diverse comme nous allons le voir, par exemple une force
électromotrice induite par un champ magnétique variable dans la surface d’une boucle composée d’un
câble et de la terre.
Cette boucle étant de surface généralement importante par rapport à celle qui existe entre les deux
conducteurs très proche d’un même câble, on comprend que les perturbations en mode commun
seront généralement d’amplitude très supérieure à celles en mode différentiel.
Lorsqu’un courant de mode commun traverse une carte électronique, la moindre dissymétrie sur son
chemin provoque sa conversion en signal de mode différentiel. Sur le schéma suivant par exemple, le
courant de mode commun entrant dans le montage sera sans effet si R1=R2, C1=C2, R3=R4 et
R5=R6. Ne serait ce qu’à cause des tolérances des éléments, cette condition est difficile à réaliser.
R1
R3
2
-
V-
Imc / 2
4
R5
entrée
3
R2
+
R4
C1
C2
R6
1
sortie
8
Umc
Imc / 2
V+
OUT
Si la perturbation est dans la même gamme de fréquence que le signal utile, il devient alors quasiment
impossible de faire la différence entre les deux.
2 Etude des modes de couplage entre le perturbateur et la victime
La perturbation peut être conduite ou rayonnée ; il existe 6 modes de couplage que l’on peut classer
en 4 catégories. A chaque fois le couplage peut se faire en mode commun ou différentiel.
2.1
Couplage par impédance commune
La masse d’un système étant un conducteur non parfait, elle présente une résistance, ainsi qu’une
inductance non négligeable si le signal est de fréquence suffisamment élevée. La circulation d’un
courant provoque donc une chute de tension, supprimant l’équipotentialité de la masse.
Dans la figure suivante, le courant circulant dans le moteur perturbe la tension d’entrée de la porte
logique par un couplage par impédance de masse commune. Cette perturbation se fait ici en mode
différentiel.
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1
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2
+
1
D1
A
2
-
2 IN
V
Cde
OUT
7
Cde - V
impédance de masse
I moteur
Le même raisonnement que celui fait avec la masse peut être appliqué avec la terre. Dans l’exemple
suivant la circulation d’un courant de mode commun IMC dans la terre (du à la foudre par exemple),
provoque une différence de potentielle aux bornes de l’impédance de terre, provoquant à son tour la
circulation d’un courant IMC2 à travers les systèmes A et B. On aurait pu raisonner aussi en disant que
le courant IMC1 se divisait en arrivant sur le premier système, l’impédance de terre n’étant pas nulle.
La perturbation dans cet exemple est alors de mode commun.
câble de liaison
équipement
mis à la
terre
équipement
isolé
IMC 2
capacité
parasite
IMC
Z
IMC
UMC
2.2
Couplage par champ magnétique
Un champ magnétique variable provoquera dans une boucle une force électromotrice induite e =
dφ
,
dt
φ étant le flux magnétique circulant à travers la surface de la boucle.
2.2.1
Couplage champ à boucle
Lorsque l’origine du champ est lointaine et que l’on n'a pas de moyen d’action dessus (émetteur
télévision sur la colline voisine par exemple), on parle de couplage par champ à boucle. La figure
suivante illustre sur le même exemple ce type de couplage en mode différentiel et en mode commun.
B
câble de liaison
équipement
isolé
IDIF
UDIF
équipement
mis à la
masse
IMC
UMC
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Le champ magnétique B induit une force électromotrice de mode différentiel et de mode commun. La
surface de la boucle étant plus importante en mode commun, on conçoit que le phénomène est
généralement plus important.
2.2.2
Diaphonie inductive
Lorsque le perturbateur est proche de sa victime, on parle plutôt de diaphonie inductive, illustrée par
les figures suivantes en mode différentiel et commun. Le courant perturbateur de cet exemple est de
la forme de celui que l’on peut trouver traversant le transistor d’une alimentation à découpage.
H
H
I PERTURBATEUR
VDIF
VMC
L’étude du couplage peut alors éventuellement se faire en considérant les inductances mutuelles
entre perturbateurs et victimes.
2.3
Couplage par champ électrique
Un champ magnétique E éclairant une surface conductrice S à travers un milieu de permittivité ε
dE
provoquera la circulation d’un courant i tel que i = ε S
.
dt
2.3.1
Couplage par champ à fil
Lorsque l’origine du champ est lointaine et que l’on n’a pas de moyen d’action dessus, on parle de
couplage par champ à fil. La figure suivante illustre ce type de couplage en mode commun.
câble de liaison
équipement
mis à la
masse
équipement
isolé
E
IMC
capacité
parasite
surface conductrice
2.3.2
Couplage capacitif
Si la tension qui a crée le champ électrique est connue et proche de la victime, le problème devient un
dv
simple couplage capacitif avec i = C
, le terme C représentant la capacité de couplage.
dt
La figure suivante illustre ce couplage en mode différentiel et commun pour un signal perturbateur tel
que l’horloge d’un système numérique.
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I MC
I DIF
V PERTURBATEUR
2.4
Couplage par carte à châssis
Une différence de potentiel entre la masse d’une carte électronique et la terre (la masse n’étant pas
reliée à la terre), provoquera la circulation d’un courant à travers les capacités parasites reliant la carte
à la terre. Ce courant se répartissant de manière aléatoire sur la carte, générera des perturbations.
câble de liaison
I MC
V PERTURBATEUR
Ce phénomène est parfois connu sous le nom « d’effet de main » : une carte fonctionnant
« correctement » se verra perturbée par l’approche de la main de l’expérimentateur (la capacité
parasite augmente, donc le courant aussi), puis fonctionnera de nouveau correctement lorsque la
main touchera la carte (qui est mise à peu près au potentiel de la terre, le courant perturbateur ne
traversant alors plus la carte).
3 Exemples de sources de perturbations
Comme nous l’avons vu, les perturbations peuvent être rayonnées ou conduites, généralement par le
réseau de distribution d’énergie dans ce dernier cas. On peut également les classer par le fait qu’elles
soient intentionnelles ou non, entretenues ou non. Les tableaux suivants présentent quelques
perturbations et ordre de grandeur classiques :
utilisation
bande de
fréquence
radiodiffusion et
14 kHz à 1,6 MHz
services maritimes
(bandes
kilométrique et
hectométrique)
radiodiffusion en
2 à 26 MHz
ondes courtes
radiodiffusion en
87,5 à 108 MHz
ondes métriques
CB
27 MHz
talky walky
150 à 470 MHz
puissance
apparente
rayonnée
maximale
2,5 MW
distances faibles
typiques
champ
5 à 20 km
2,2 à 0,55
100 kW
0,5 à 2 km
4,4 à 1,1
100 kW
0,1 à 1 km
22 à 2,2
10 W
5W
10 à 100 m
1 à 10 m
2,2 à 0,22
16 à 1,6
exemples de perturbations rayonnées intentionnelles
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utilisation
signaux de contrôle produits par
le distributeur
bande de fréquence
0,1 à 1 kHz
3 à 20 kHz
niveau max. observé
5% UN
2% UN
20 à 90 kHz
0,3 à 1 V
signaux de communication
95 à148 kHz
0,3 à 1 V
produit par les consommateurs
exemples de perturbations conduites intentionnelles sur le réseau de distribution d'énergie
perturbateur
perturbation mesurée
bande de fréquence
réseau de distribution HT
3 kV/m sous la ligne
50 Hz et harmoniques
220 kV
réseau de distribution HT
65 dBµV sous la ligne à
> 1MHz
220 kV par effet Corona
500 kHz
moteurs à balais
60 dBµV
9 kHz
table de cuisson à induction
70 dBµA/m à 3 m
qq. dizaine de kHz
exemples de perturbations non-intentionnelles entretenues
Citons également :
- le champ magnétique de fuite d’un transformateur d’alimentation,
- le champ magnétique produit par le système de déviation magnétique d’un tube cathodique,
- les perturbations sur le réseau dues à l’enclenchement de charge importantes,
- les perturbations sur le réseau dues à la commutation des ponts redresseurs de puissance,
- les décharges électrostatiques (tension de l’ordre du kV , courant de plusieurs ampère
pendant un temps très court),
- les signaux numériques, horloges en particuliers (couplages capacitifs),
- les alimentations à découpage (perturbations rayonnées et conduites).
4 Quelques règles élémentaires à appliquer à la conception des
cartes électronique
On consultera avec profit pour cette partie, l’ouvrage intitulé « Tracé des circuits imprimés » de P.
Dunand cité en bibliographie.
4.1
Découplage des alimentations
Chaque carte, et à l’intérieur de chaque carte, chaque circuit intégré et chaque fonction devra avoir
son alimentation découplé par un ou plusieurs condensateur placé en parallèle, le plus près possible
du bloc concerné.
Cette précaution a pour but de filtrer l’alimentation (filtre passe bas réalisé par le condensateur et les
résistances et inductances parasite des liaisons d’alimentation), ainsi que d’éviter lors des appels de
courant de provoquer une brusque variation de courant sur les lignes d’alimentation (couplage par
inductance commune, couplage inductif).
La valeur de la capacité devra être calculée en fonction des appels de courants susceptibles de se
produire.
Suivant la fréquence de fonctionnement, plusieurs condensateurs seront nécessaires : par exemple
un condensateur électrochimique de 100 µF comme réservoir d’énergie (forte valeur mais mauvais
comportement fréquentiel), avec en parallèle un condensateur plastique de 100 nF destiné à filtrer les
perturbations hautes fréquences.
4.2
Cas des circuits analogiques
Le plan de masse est la solution idéale pour assuré une bonne équipotentialité de la masse. Lorsqu’il
n’est pas possible, on considérera que les circuits analogiques échangent essentiellement les
informations depuis un étage vers le suivant en « chaîne cascadée ». Il est donc important d’assurer
l’équipotentialité des masses au moins entre deux étages voisins, en « chaînant » les alimentations ;
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on placera les éléments perturbateurs (puissance) proche de l’alimentation, puis on alimentera ensuite
en cascade les éléments sensibles en filtrant correctement.
On alimente ainsi « le propre par le sale ».
La solution de la masse étoilée n’est viable qu’en basse fréquence car elle introduit des longueurs de
connexions supplémentaires, favorisant ainsi le couplage par impédance commune et par
rayonnement.
4.3
Cas des circuits numériques
Là encore le plan de masse est idéal. S’il n’est pas possible, on considérera cette fois que les circuits
numériques échangent des informations dans toute les directions (exemple : distribution de l’horloge) ;
on essaiera alors de se rapprocher du plan de masse en faisant un maillage des alimentations.
4.4
Cas des circuits mixtes
Là aussi on utilisera un plan de masse dans la mesure du possible. Lorsque l’alimentation est
commune, on appliquera la règle d’alimenter le propre (analogique sensibles) par le sale (numérique
perturbateur). On évitera ensuite de connecter les alimentations, qu’aux endroits indispensables des
circuits intégrés mixtes (CNA, CAN, filtres à capacités commutées etc…). Lorsqu’une piste numérique
devra circuler dans la partie analogique (horloge d’un filtre à capacités commutées) on routera à
proximité la masse numérique pour éviter le couplage capacitif.
4.5
Placement des connecteurs
Les connexions de la carte avec l’extérieur seront toutes placées du même côté de la carte, afin
d’éviter la traversée de cette dernière par les courants de mode commun.
4.6
Liaison avec la terre et le boîtier
Relier la masse à la terre permet d’évacuer vers cette dernière les courants de mode commun et
d’éviter ainsi qu’ils ne traversent la carte.
Si la carte se trouve dans un boîtier métallique, relier ce dernier à la masse afin de réduire le couplage
carte à châssis ; si la carte est de plus alimentée par le réseau de distribution d’énergie, il sera
impératif, dans le régime de neutre classique TN, de relier le boîtier à la terre, afin d’assurer la
protection des personnes.
Si la carte se trouve dans un boîtier plastique, le couplage carte à châssis sera très important ; on
peut le réduire fortement en plaçant sous la carte un feuillard conducteur relié impérativement à la
masse.
4.7
Liaison entre deux cartes
La liaison idéale se fera par câble blindé (2 conducteurs dans une enveloppe métallique), relié à la
masse des deux côtés si possible.
Si la liaison se fait par deux conducteurs simples, torsader ceux-ci afin de diminuer le couplage
magnétique.
Dans le cas d’une liaison par nappe, on limitera la diaphonie en utilisant une nappe avec feuillard
conducteur relié à la masse ou en plaçant un conducteur relié à la masse entre chaque signaux.
Si la liaison est longue, on pourra augmenter l’impédance en mode commun (et donc diminuer le
courant) en basse fréquence en plaçant une isolation galvanique par transformateur ou mieux par
opto-coupleur ; les perturbations hautes fréquences pourront ensuite être filtrées.
On se protégera en haute fréquence contre le mode commun en faisant passer le câble dans une
ferrite (faire éventuellement plusieurs tours) : l’inductance du circuit mode commun est alors
importante, tandis que celle du circuit de mode différentiel n’est pas affectée.
Les entrées de la carte devront être le plus symétrique possible afin d’éviter la conversion du mode
commun en mode différentiel.
4.8
Liaison avec le réseau de distribution d’énergie
Il faudra à la fois se protéger des perturbations conduites et éviter d’en générer (voir la normalisation)
en mode différentiel comme en mode commun. On place généralement pour cela un filtre secteur relié
à la terre.
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Phase
L
Cx
côté réseau
M
côté utilisation
L
Neutre
Cy
Cy
Terre
Les inductances L et la capacité Cx filtrent le mode différentiel, tandis que les inductances M
fortement couplées et les condensateurs Cy filtrent le mode commun en envoyant les courants vers la
terre. On notera au passage la symétrie du filtre pour éviter toute conversion mode commun mode
différentiel.
5 La normalisation
En fonction de l’utilisation de l’appareil des normes définissent le degré de pollution généré ; ces
normes concernent les perturbations rayonnées et conduites.
5.1
Perturbations rayonnées
La norme définit en fonction de la fréquence, la valeur dans laquelle le champ électrique, mesuré à
une certaine distance de l’appareil, doit rester.
E
dBµV/M
37
30
30
230
f (MHz)
Les conditions de mesures sont explicitement précisées : type d’antenne, accord etc…
Afin de se soustraire du champ électrique ambiant (émetteurs radiofréquences divers), il est
souhaitable d’effectuer ces mesures dans une chambre dite anéchoïde, équipement fort onéreux, dont
l’utilisation est limitée à quelques entreprise spécialisées.
Exemple
La norme NFC EN 55 022 définit, pour les appareils de traitement de l’information (ATI) classe B
(pouvant être vendu sans restriction), les conditions suivantes :
gamme de fréquence (MHz)
distance de mesure
champ maximal moyen (dBbµV)
30 à 230
30
30
230 à 1000
30
37
5.2
Perturbations conduites
Les perturbations générées vers le réseau de distribution vont dépendre de l’impédance de celui-ci,
donc de l’endroit et de l’instant où les mesures sont faites. Pour s’affranchir de ce problème, on
intercale entre l’appareil en test et le réseau de distribution, un équipement appelé « réseau
stabilisateur d’impédance » ou RSIL. Il ne sera présent qu’au moment de la mesure. Sa structure est
la suivante :
Phase
Lsil
Csil
Rsil
côté réseau
côté utilisation
Rsil
Lsil
Csil
Neutre
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Les inductances Lsil permettent de bloquer les perturbations hautes fréquences, et obligent les
courants à circuler dans Rsil où ils seront mesurés. Ces résistances font 50 Ω (impédance d’entrée
des analyseurs de spectre). Les condensateurs Csil évite que le signal à 50 Hz ne passe dans la
résistance (ce n’est pas lui que l’on souhaite mesurer).
La norme ne fait pas de différence entre les perturbations de mode commun et de mode différentielle.
La conception du système doit cependant prendre en compte cette différence afin de savoir sur quels
paramètres agir afin de faire entrer l’appareil dans la norme.
Exemple
La norme NFC EN 55 022 définit, pour les appareils de traitement de l’information (ATI) classe B
(pouvant être vendu sans restriction), les conditions suivantes :
gamme de fréquence (MHz)
Limite (dBbµV)
Limite (dBbµV)
valeur quasi-crête
valeur moyenne
0,15 à 0,5
66
56
0,5 à 5
56
46
5 à 30
60
50
La différence entre les valeurs quasi-crête et les valeurs moyennes dépend de la constitution du
détecteur d’enveloppe de la mesure de la tension aux bornes de Rsil (détecteur définit précisément
dans la norme).
Bibliographie
Parasites et perturbations des électroniques tomes 1,2,3,et 4 par A. Charoy chez Dunod
Tracé des circuits imprimés par P. Dunand chez Dunod
Cours sur internet de F Rachidi
Sujet de capet électronique externe STI 96
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