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1 - NOTIONS GÉNÉRALES

2 - PRÉSENTATION DU CAS D’ÉTUDE EN CEM DU CIRCUIT SOUS TEST ET DES FONCTIONS LE CONSTITUANT

3 - MODÈLE D'ÉMISSION EN CEM CONDUITE

4 - MODÈLE DE SUSCEPTIBILITÉ EN CEM CONDUITE DES CI 555 ET MCU 68000

5 - SIMULATION EN CEM, IS ET IP DU CAS D’ÉTUDE DE NOTRE CIRCUIT

6 - SDF ET ANALYSE DES EFFETS DES TOLÉRANCES

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E3457 v2

Notions générales
Méthodologie de modélisation en CEM et intégrité du signal d’une carte électronique mixte

Auteur(s) : Blaise RAVELO, Sébastien LALLÉCHÈRE

Date de publication : 10 juin 2024

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RÉSUMÉ

Les cartes électroniques sont conçues avec une augmentation constante de niveau de complexité. Des effets sur la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et l’Intégrité du Signal (IS) sont constatés. Pour éviter ces conséquences indésirables, une méthodologie de simulation et de modélisation est nécessaire. Le présent article propose une méthode de simulation et modélisation en CEM conduite d’une carte électronique. Des modèles d’émission et de susceptibilité en CEM conduite sont considérés. Une étude marginale décrite en dernière section permet d’évaluer le niveau de risque de dysfonctionnement d’une carte électronique.

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Auteur(s)

  • Blaise RAVELO : Ingénieur de l’ESPA/Université d’Antsiranana, Master et Docteur de l’UBO, - HDR de l’université de Rouen, - Professeur au NUIST, Nankin, Jiangsu, Chine

  • Sébastien LALLÉCHÈRE : Ingénieur de Recherche en CEM et Docteur de l’Université Blaise Pascal, - HDR de l’Université Clermont Auvergne, - SafranTech, Magny-les-Hameaux, France

INTRODUCTION

Pour répondre aux besoins publics, les industries de conception et de fabrication des cartes électroniques ou PCB (Printed Circuit Board) s’orientent vers une technologie électronique avec implémentation à haute densité. Les électroniques sont de plus en plus contraintes de fonctionner dans des environnements sévères. Comme tous les équipements électriques, les PCB et les circuits électroniques doivent systématiquement satisfaire des contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM) [E 1 320] [E 2 475]. À la différence des autres domaines de l’ingénierie, la conception en CEM des PCB nécessite des notions fondamentales [E 1 320] et des éléments de connaissance en matière de théorie des circuits et d’électromagnétisme [E 1 315]. Les tests de CEM de conformité sont mis au point avec des méthodologies adaptées aux équipements électriques et leurs environnements de fonctionnement [E 1 315].

Cependant, quels que soient les équipements et plus particulièrement les PCB, il faut noter que les tests en CEM sont souvent onéreux et réclament un temps d’exécution pouvant être fastidieux. Pour remédier à ce coût, il est possible d’agir en amont durant la phase de conception en mettant au point des modèles analytiques ou numériques des émissions et des susceptibilités en modes rayonné et conduit. À l’image des tests expérimentaux, il existe divers types de modèles en CEM. Tout d’abord, on peut noter les modèles systémiques pouvant s’appliquer aux circuits relativement complexes. Des modèles analytiques d’interaction en supposant les émissions conduites et de rayonnement en champ proche des PCB peuvent être considérés. À l’inverse, l’influence du rayonnement EM se modélise aussi avec des fonctions analytiques de couplage avec les éléments des PCB. Des modèles d’émission et de susceptibilité conduites des composants sont également des solutions pour les fabricants des équipements. Pour les ingénieurs de conception hardware, tous ces différents modèles permettent de prédire les éventuels effets en CEM avant d’effectuer la réalisation. Pour les PCB, il est important de souligner qu’il est imaginable de développer des techniques de réduction des effets de CEM par exemple en utilisant des circuits à Temps de Propagation de Groupe (TPG) négatifs.

En plus des modèles de CEM composants [E 2 475], les interconnexions électriques [E 3 455] jouent un rôle important pour la conception en CEM des PCB. Une modélisation des composants localisés passifs à base des réseaux de neurone est proposée dans la littérature. Des cas de modélisation d’interconnexions électriques validés avec des Lignes de Transmission (LT) micro-ruban ont été proposés [E 3 455] [E 3 457].

Le présent article est destiné à développer une méthodologie de simulation en CEM conduite d’un circuit électronique représentant un PCB. La méthode dépend de la définition de l’environnement de test à l’origine des bruits de perturbation comme le cas de l’alimentation et des sources de décharges. Ensuite, le schéma équivalent électrique de couplage des tensions ou des courants représentant les émissions de CEM conduites est nécessaire. Dans ce schéma, tous les éléments sensibles ou pouvant influencer les paramètres d’Intégrité de Signal (IS) et d’Intégrité de Puissance (IP) devront être modélisés. Pour cette étude, on s’intéresse au cas des composants passifs R, L et C, actifs comme un oscillateur et un microcontrôleur (µC ou MCU), et également l’effet des interconnexions électroniques. Puis, la Sureté de Fonctionnement (SdF) vis-à-vis des perturbations de CEM affectant le circuit est estimée.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e3457


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1. Notions générales

Avant de procéder à l’étude de CEM, nous sommes spontanément amenés à nous interroger sur la compréhension du fonctionnement de la carte électronique concernée. De plus, il est indispensable de considérer une représentation de son environnement de fonctionnement. Cette section introduit des notions générales permettant de mener l’approche méthodologique d’analyse en CEM proposée dans cet article.

1.1 Approche méthodologique

Le point de départ de la méthode s’appuie sur la description du produit fourni par le fabricant destiné à opérer dans un environnement du client utilisateur. Nous avons retenu le cas d’une carte électronique. Du point de vue systémique, une carte peut être généralement représentée par une boîte noire (modèle Black Box) comprenant des points d’entrée et de sortie. Pour le présent système, nous avons une entrée notée Vs et deux sorties. Pour formuler le problème à résoudre, le circuit est placé dans un scénario ayant subi des perturbations de CEM dans son environnement de fonctionnement. Le synoptique de la figure 1 présente une vue d’ensemble des différents éléments nécessaires pour notre analyse de CEM.

La perturbation en CEM est représentée par une ou des entrées sur lesquelles sont superposées des sources de bruits électriques. L’immunité en CEM consiste à étudier le changement de comportement du circuit face aux agressions EM jusqu’à la détection d’endommagements, tandis que la susceptibilité en CEM se limite aux effets de perturbation EM sur son fonctionnement. La susceptibilité se quantifie à partir de dérives de fonctionnement sur une ou des sorties en fonction des observables avec des tolérances exigées par des clients utilisateurs. De nombreux travaux se sont intéressés à l’analyse de ces phénomènes pour des PCB ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RAVELO (B.), LIU (Y.), JASTRZEBSKI (A.K.) -   PCB Near-Field Transient Emission Time-Domain Model, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility.  -  Vol. 57, No. 6, p. 1320-1328 (2015).

  • (2) - XU (Z.), RAVELO (B.), MAURICE (O.), GANTET (J.), MARIER (N.) -   Radiated EMC Kron's Model of 3-D Multilayer PCB Aggressed by Broadband Disturbance, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility.  -  Vol. 62, No. 2, p. 406-414 (2020).

  • (3) - MANJOMBE (Y.T.), AZZOUZ (Y.), BAUDRY (D.), RAVELO (B.), BENBOUZID (M.E.H.) -   Experimental investigation on the power electronic transistor parameters influence to the near-field radiation for the EMC applications, Progress In Electromagnetics Research (PIER) M.  -  Vol. 21, p. 189-209 (2011).

  • (4) - MAURICE (O.), RAVELO (B.), XU (Z.) -   PCB-conducted susceptibility (CS) EMCTAN modelling”, Tensorial analysis of Networks (TAN) Modelling for PCB Signal Integrity and EMC Analysis, Chap. 10, IET Materials, Circuit and Devices Series 72.  -  Publisher Michael Faraday House, Six Hills Way, Stevenage, Hertfordshire, UK, PBCS0720, p. 229-258 (2020).

  • ...

NORMES

  • Appareils industriels, scientifiques et médicaux – Caractéristiques de perturbations radioélectriques – Limites et méthodes de mesure. - IEC CISPR 11 - 2024

  • Équipements de technologie de l'information – Propriétés de distorsion radio – Test des limites et méthodes de mesure. - IEC CISPR 22 - 2019

  • Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 3-2 : limites – Limites pour les émissions de courant harmonique (courant appelé par les appareils inférieur ou égal à 16 A par phase). - NF EN IEC 61000-3-2 - mars 2019

  • Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-3 : techniques d'essai et de mesure – Essai d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés aux fréquences radioélectriques. - NF EN IEC 61000-4-3 - septembre 2006

  • Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-4 : techniques d'essai et de mesure – Essais d'immunité aux transitoires électriques rapides en salves. - NF EN IEC 61000-4-4 - février 2013

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