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6 - SDF ET ANALYSE DES EFFETS DES TOLÉRANCES

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

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Article de référence | Réf : E3457 v2

SdF et analyse des effets des tolérances
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.

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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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6. SdF et analyse des effets des tolérances

La SdF de notre circuit sera évaluée dans cette section. L’analyse consiste à faire le lien entre la variabilité des paramètres clés et les marges sur les amplitudes des signaux de sortie en l’occurrence des deux CI.

6.1 Marges et risques de susceptibilité

La contrainte de susceptibilité de CEM conduite d’un produit dépend de la probabilité de son fonctionnement dans la classe A. Au fur et à mesure que l’état de l’observable s’éloigne du niveau attendu, on peut rapporter une marge ou un risque de défaillance en CEM, et définir un niveau de marge attaché. Après simulation du modèle en CEM de notre preuve de concept, nous devons obtenir des statistiques des sorties des CI. Ces valeurs (e.g. moyennes) dépendent de leurs lois de probabilité. En effet, le niveau moyen de susceptibilité dépend de la probabilité d’occurrence des événements. On peut évaluer la contrainte de fonctionnement de notre circuit via la mesure de distance entre le niveau de risque et de marge de susceptibilité comme le montre la figure 20.

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6.2 Impact des variations des ESR et des parasites des interconnexions

Notre méthode d’analyse de susceptibilité s’applique à des composants constituants le circuit. Par exemple, on peut s’interroger sur les effets sur la SdF du système soumis à des variations des parasites (ESR et interconnexions par exemple). Ceci peut être réalisé « simplement » en produisant un nombre conséquent de simulation (e.g. 106 essais) permettant de faire varier les composants parasitiques mentionnés précédemment, tout en conservant les valeurs nominales des entrées restantes. Nous pouvons déterminer les impacts des variations des ESR et les parasites des interconnections par le niveau de risque de l’ensemble de notre circuit de test. Par exemple, le risque se détermine avec les états de fonctionnement du circuit suivant les classes du tableau ...

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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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