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Aspects fondamentaux de la CEM
Lors de l’analyse d’une perturbation électromagnétique on constate que le problème englobe trois éléments : une source de perturbation qui émet de l’énergie électromagnétique, un canal de couplage au travers duquel l’énergie de ces perturbations se propage et enfin un récepteur qui capte cette énergie, la traite et la superpose à sa fonction normale . Si les perturbations reçues par ce dernier sont trop élevées et provoquent des interférences, on parle alors de victime de ces perturbations. Dans la majorité des cas, le canal de transmission est involontaire, et il y a toujours transmission de perturbations. Cependant, pour considérer qu’il y a interférence, il faut que le niveau de ces perturbations atteigne un niveau suffisant pour fausser les comportements du récepteur, qui devient alors la victime. Souvent il est difficile de déterminer à partir de quel niveau il faut considérer qu’il y a interférence : par exemple, les bruits parasites sur l’écran d’un radar peuvent conduire un débutant à mal interpréter ce qu’il observe, alors qu’un utilisateur expérimenté n’aura aucun problème à interpréter correctement l’écran.
Quel niveau faut-il alors admettre à l’écran ? Il en est de même pour les circuits analogues : la perturbation s’ajoutant au signal utile sera toujours visible. A partir de quel niveau faut-il admettre qu’il y a interférence ? Même pour les circuits logiques le problème peut se poser : si le récepteur exploite un algorithme de correction des erreurs de transmission, alors des perturbations d’un niveau supérieur à la marge de sécurité des niveaux logiques peuvent devenir admissibles.
Sources de perturbations
Un certain nombre de bruits et perturbations prennent leur origine dans des sources naturelles (foudre, décharge électrostatique (ESD), activité solaire, source cosmique) ; cependant, la majorité des sources est d’origine humaine. Elles sont appelées également bruit industriel, résultant du fonctionnement des équipements construits. Plutôt que de les classer en fonction de leur origine, il convient d’examiner leur comportement temporel et fréquentiel. De là, en effet, découlent les méthodes de mesures d’émissions et les caractéristiques des générateurs d’essai d’immunité. On citera quatre sources qui nous apparaissent importantes : Sources permanentes et sources intermittentes, Sources large bande et bande étroite, Sources intentionnelles et non intentionnelles, Sources impulsionnelles.
Sources permanentes et sources intermittentes : Par définition, une source permanente émet des perturbations aussi longtemps que l’appareil contenant cette source est en fonction. Par opposition une source intermittente n’émet des perturbations que aléatoirement donc d’une manière imprévisible. Un exemple typique de sources permanentes est l’horloge d’un système numérique. Tant que le système est enclenché, le niveau d’émission peut cependant varier en fonction du contenu des données traitées dans l’appareil. Une analyse statistique du niveau d’émission reste donc indispensable : mesure du niveau moyen et du niveau « quasi crête ». La foudre et les décharges électrostatiques sont des exemples de sources intermittentes .
Sources large bande et bande étroite : Une source est à « bande étroite » si sa largeur est plus petite qu’une bande de référence (celle du récepteur : instrument de mesure ou victime). Toute l’énergie émise est alors reçue par le récepteur et définit le niveau des perturbations. Celui-ci ne change donc pas si l’on change la bande passante du récepteur. On peut alors se contenter de spécifier le niveau de champ électrique (V/m) correspondant à la fréquence considérée.
Une source est qualifiée de « large bande » si sa largeur de bande est plus grande qu’une bande de référence. Dans ce cas le niveau mesuré et le niveau des perturbations sont dépendants de la largeur de bande du récepteur. On doit donc spécifier le niveau relatif à la bande passante: V/m/MHz.
Types de couplage
Le couplage d’une source à une victime se fait de deux manières : le couplage par conduction (fils reliant le signal, les commandes ou les alimentations) et le couplage par rayonnement qui se manifeste par un champ magnétique et un champ électrique associé (agissant sur une antenne, à travers les ouvertures des blindages, ou directement sur les fils d’interconnexion). L’analyse de ce rayonnement doit se faire par résolution des équations de Maxwell dans le cas général. Il est évident qu’on ne peut le faire que pour les configurations simples, mais ceci va nous permettre de comprendre le phénomène général et en déduire la méthode de protection.
Le couplage se manifeste sous 3 aspects : Couplage capacitif, Couplage inductif, Couplage par rayonnement.
Conséquences directes des perturbations
Face à l’augmentation constante de la complexité des circuits intégrés, à une intégration de plus en plus dense et l’augmentation de la fréquence de fonctionnement les problèmes de compatibilité électromagnétique sont devenus un des points cruciaux du fonctionnement des systèmes intégrés. L’augmentation des performances des transistors a pour effet d’engendrer des phénomènes parasites tels que le retard de propagation, le couplage diaphonique, l’émission d’énergie électromagnétique par rayonnement. Ces phénomènes sont amplifiés du fait de la réduction de dimensions des interconnexions et de l’augmentation du nombre de niveaux métalliques. Lorsqu’un circuit intégré subit ces perturbations, les conséquences sont les suivantes : Grande puissance consommée, Niveau d’émission de parasites plus grand, Plus grande fragilité aux agressions d’origine électromagnétique, Fluctuation d’alimentation traduite par des phénomènes d’émission conduite, Grande sensibilité aux bruits, Apparition possible d’un dysfonctionnement des blocs logiques.
Il y a différentes manières de réduire les émissions électromagnétiques : Diminuer l’influence du boîtier, Réduire la fluctuation de l’alimentation, Diminuer les bruits sur l’alimentation, Isoler le circuit sur un plan de masse.
Méthodes de mesure de l’émission rayonnée
Cellules TEM : Le projet de norme de l’IEC 61967-2 indique comment mesurer les émissions rayonnées en utilisant une cellule TEM (Transverse Electromagnetic). Les mesures en cellule TEM reposent sur le simple principe d’une ligne de transmission triplaque constituée de deux plans de masse intercalés par un conducteur central appelé septum qui collecte le rayonnement du DST. Au sein de cette cellule règne un champ électromagnétique uniforme. Sa propagation s’effectue selon un mode TEM, tant que la demi-longueur d’onde reste supérieure aux dimensions transversales de la cellule. Le DST est une carte carrée à 4 couches de 100 *100 mm de dimension dont il faut au moins deux orientations de mesure pour évaluer l’émission parasite.
Mesure champ proche : « surface scan » : La norme IEC 61967-3 définit une méthode de mesures des émissions électromagnétiques rayonnées d’un CI en balayant une sonde de champ proche au-dessus de la surface des composants sous test. Afin de mesurer toutes les composantes du champ rayonné, il faut employer une grande variété de sondes pour exécuter le balayage extérieur comprenant des sondes de champ électrique, des sondes de champ magnétique, ou une sonde combinée de champ électromagnétique.
Le déplacement de la sonde est assuré par un robot comportant trois translations x, y et z ainsi que deux rotations selon x et y afin de tracer avec précision et souplesse la cartographie complète du champ rayonné par le dispositif sous test. La méthode de balayage en champ proche est utilisée pour des phases de conception d’un C.I pour étudier l’activité interne du composant ainsi que l’utilisation des données issues de la mesure en champ proche pour construire un modèle électromagnétique du composant (modèle ICEM) permettant de prédire les émissions en mode conduit et les émissions en mode rayonné.
Table des matières
Chapitre I CEM Des composants : Etat de l’art
Introduction – définitions.
Quelques repères historiques
Aspects fondamentaux de la CEM
Mode de transmission des perturbations
Niveaux de compatibilité
Normes
Sources de perturbations
Introduction
Sources permanentes et sources intermittentes
Sources large bande et bande étroite
Sources impulsionnelles
Types de couplage
Couplage capacitif
Couplage inductif
Rayonnement
CEM des circuits intégrés
Introduction
Standards de modélisations
Modèles IBIS
Modèle IMIC
Modèle ICEM
Modèle ICIM
Moyens d’essais
Technique de mesure de la susceptibilité des composants
Méthodes de mesure de l’émission des composants
Méthodes de mesure de l’émission rayonnée
Méthodes de mesure de l’émission conduite
Conclusion
Chapitre II Conception et Optimisation d’une Cellule TEM 3 GHz
Introduction
La cellule TEM
Généralité sur la cellule TEM
Impédance caractéristique.
Détermination des modes supérieurs
Détermination des résonances de modes supérieurs par simulation
Résonances dans la cellule TEM
Etude de la transition de la cellule
Introduction
Différents types de taper
La nouvelle cellule TEM
Particularités innovantes
Etapes de validation
Optimisation du septum
Géométrie du Septum
Optimisation de la transition connecteur- cellule
Cellule TEM avec absorbants
Absorbants CEM hyperfréquence
Cellule avec des murs absorbants
Cellule avec différentes formes de septum
Simulation de la structure
Champ électrique dans la cellule
Champ magnétique dans la cellule
Différents supports de cartes de test
Support carré classique
Support carré rotatif
Support circulaire
Conclusion
Chapitre III Validation de la nouvelle structure de la Cellule TEM
Introduction
Etude du couplage électromagnétique
Couplage entre une antenne circulaire et la cellule TEM
Antenne circulaire
Etude de la structure antenne-cellule
Couplage entre une antenne rectangulaire et la cellule TEM
Nouvelles cartes de test
Caractéristiques générales du microcontrôleur
Carte de test Cesame
Conclusion
Chapitre IV Modélisation et exploitation de la cellule TEM
Introduction
Propagation de perturbations
Propagation en mode rayonné
Modélisation de la cellule TEM
Modèles électriques équivalents de la cellule
Modélisation de la ligne de transmission
Modèle en T
Modèle en éléments répartis
Couplage entre la ligne de transmission et la cellule
Modélisation du couplage
Modèle de l’ensemble de la structure
Modèle équivalent
Cellule à supports rotatifs : Applications
Détermination analytique de la tension induite
Tension induite par simulation électrique
Conclusion
Chapitre V Application du modèle ICEM
V.1. Introduction
V.2. Description du microcontrôleur cible
V.3. Introduction au modèle ICEM
V.4. Spécification de la carte de test
V.4.1. La carte de test
V.4.2. Les contraintes électriques
V.4.3. Spécifications de réalisation
V.4.4. Structure électrique du PCB
V.5. Modélisation de la carte de test à partir du résolveur de champ 3D HFSS
V.5.1. Description
V.5.2. Modèles du PCB et des vias
V.6. Modélisation de la carte de tests à partir de la mesure
V.6.1. Modèles du PCB et des vias
V.7. Modélisation par l’approche empirique
V.7.1. Modélisation de la carte de test
V.7.2. Modélisation des vias
V.8. Comparaison entre les trois méthodes
V.9. Extraction du modèle ICEM du composant
V.9.1. Modèle ICEM du composant non alimenté
V.9.2. Modèle ICEM du composant alimenté
V.9.3. Corrélation avec le modèle globale (ZIcem+ZTstBrd4)
V.10. Combinaison de la simulation électrique et électromagnétique
V.11. Mesures du rayonnement de la carte : cellule TEM
V.11.1. Présentation
V.11.2. Banc de mesures
V.11.3. Mesures de la carte carrée
V.11.4. Analyse
V.11.5. Simulation de rayonnement : exploitation du modèle ICEM
V.12. Banc de mesures champ proche
V.13. Conclusion
