Caractérisation et modélisation des émissions rayonnées par le câblage des systèmes électroniques embarqués

La part de l’électronique dans les systèmes embarqués (automobile, aéronautique, spatial…) ne cesse de croitre. Soutenue par sa forte intégration, cette électronique apporte davantage de performances et permet d’offrir des solutions à l’exigence, entre autres, de sécurité et de confort. Mais, une telle évolution rapide nécessite une prise en compte de tout phénomène marginal pouvant nuire au bon fonctionnement des systèmes électroniques. Au même titre que la gestion de la thermique ou la gestion des contraintes mécaniques, l’interférence électromagnétique est devenue un phénomène à risque de très grande importance pour tout système de l’électronique de signal ou de puissance. On parle alors d’un souci de compatibilité électromagnétique (CEM) auquel les industriels se trouvent confrontés.

La CEM telle que définie dans les normes européennes [1][2] est « l’aptitude d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour les équipements situés dans cet environnement ». Ainsi, la CEM se doit de participer à la conception et l’intégration de l’électronique. Une étude CEM valable doit traiter et résoudre ces deux principaux aspects qui sont :

– L’Émission : les systèmes ne doivent pas émettre des perturbations électromagnétiques gênantes pour leur environnement.

– L’Immunité : les systèmes doivent être capables de fonctionner dans leur environnement EM. Nous notons qu’en automobile, les termes usuels pour désigner ces deux aspects de la CEM sont respectivement le mutisme (pour l’émission) et la susceptibilité (pour l’immunité).

Afin de limiter le risque d’interférence EM avec d’autres appareils et en particulier avec ceux de contrôle, il est nécessaire de prédire, en premier, les émissions EM générées et ensuite limiter les perturbations nuisibles au fonctionnement et à la sureté du système global. Donc, il est nécessaire de prédire les émissions conduites et rayonnées des câbles qui sont, par leurs grandes tailles, un risque EM potentiel pour les systèmes électroniques autour.

Dans ce contexte, plusieurs préconisations CEM peuvent être prises en compte. Une préconisation inévitable nécessite de séparer les câbles de puissance de ceux de commande. Même, si on peut considérer diminuer le risque CEM sur les câbles de transmissions de données, le risque CEM surtout pour les systèmes radioélectriques demeure élevé puisque les perturbations rayonnées atteignent même les systèmes se trouvant à quelques dizaines de mètres avec des niveaux de puissance menaçants. Ces niveaux de puissance dépendant des fréquences et de la distance par rapport au système de câblage sont définis par les normes CEM en vigueur.

Une autre solution, intéressante et très répandue dans l’industrie des systèmes électroniques embarqués, est le filtrage CEM. En effet, un filtre CEM permet d’empêcher la propagation des perturbations vers les câbles. Les filtres CEM sont conçus à base de composants passifs pour éviter toute perturbation additionnelle. Notons à-propos le coût non négligeable d’une telle solution et la difficulté de la conception des filtres de large bande puisque les composants dépendent beaucoup de la fréquence.

Certes, les filtres CEM permettent de limiter la propagation des perturbations vers les câble s. Mais, cela est restreint à une bande de fréquences plus ou moins large. Tout de même, les perturbations risquent toujours de se propager vers les câbles. C’est pourquoi, nous aurons besoin d’autres solutions limitant le rayonnement EM des câbles. On parle alors de la gestion de câblage.

Une partie de la précaution CEM se passe au niveau de la fabrication des câbles mais il reste encore le gros travail qui est lié à la gestion des systèmes de câblage. En effet, trouver le parcours de câblage le plus adéquat permet de limiter le rayonnement EM et ainsi diminuer les risques CEM.

La gestion de câblage est loin de dépendre des seules caractéristiques des câbles qui sont obtenues dès la fabrication. Elle dépend aussi et en en majorité de l’environnement et surtout des puissances que ce câblage véhicule. Les sources de perturbations ne sont jamais les mêmes, leurs spectres de puissance ne sont pas les mêmes ainsi que leurs rayonnements. Pour cela, les solutions préventives à préconiser dépendent fortement du type de perturbateur EM et nous sommes obligés, pour toute source, de définir une solution particulière.

D’une façon générale, les aspects de la CEM, que sont l’immunité et les émissions, doivent être maitrisés dès la phase de conception. Dans cette optique, le programme EPEA (EMC Platform for Embedded Applications) du pôle de Compétitivité AEROSPACE VALLEY a été créé [3]. Il répond à ces préoccupations et s’appuie sur la création d’une plate-forme de modélisation et simulation CEM (moyens humains, méthodes et outils) ayant pour objectif de répondre à une problématique commune des industriels dans les applications embarquées, de favoriser l’émergence de meilleures pratiques entre différents secteurs industriels (automobile, aéronautique, spatial, …) en relation avec les centres de recherches et de développer l’excellence des individus au travers de formations et du partage d’expérience.

Le projet EPEA groupe des laboratoires de recherche et des industriels de l’automobile, de l’aéronautique et du spatial. Dans ce projet, essentiellement des sujets autour de la CEM sont étudiés. On distingue cinq volets qui s’intéressent à la méthode générique de modélisation de l’immunité électromagnétique des composants, à la modélisation des composants et cartes par la mesure en champ proche, aux méthodes d’évaluation et de validation des outils de simulation CEM pour les équipements et à la simulation de l’émission d’un équipement avec ses interfaces système. Le dernier volet de ce projet est l’établissement de la plateforme de services qui a pour objectif d’organiser la synergie entre les projets.

Cet intérêt à la CEM est dicté par son coût croissant qui est accentué par le risque de la cohabitation de l’électronique de contrôle et de puissance dans une même enceinte. En effet, le s perturbations EM générées d’une façon générale par l’électronique de puissance, et qui proviennent majoritairement des machines électrique (BF) et du découpage (HF), se propagent vers les systèmes de contrôle qui sont souvent conçus avec des composants de plus en plus vulnérables. Cette vulnérabilité est due principalement à la miniaturisation, à la montée de la fréquence de fonctionnement et à la baisse de la tension d’alimentation.

La propagation des perturbations se fait soit en mode rayonné soit en mode conduit. Souvent, on fait sortir d’autres catégories de modes de propagation. Nous citons alors l’exemple du couplage inductif et du couplage capacitif où nous avons une interaction entre la source de perturbations et la victime. On parle souvent de couplage magnétique et de couplage électrique.