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Article

1 - OBJECTIFS DE LA SIMULATION

2 - DIFFÉRENTS TYPES DE SIMULATION

3 - GESTION DES ÉCARTS ENTRE RÉALITÉ ET VIRTUEL

4 - ANALYSE DES RÉSULTATS

5 - MODIFICATIONS ÉVENTUELLES DANS LA DÉCLINAISON DES CONTRAINTES

6 - TECHNIQUES HYBRIDES

7 - SIMULATION SUR LES FRONTIÈRES DES COMPOSANTS : LE MODÈLE IBIS

Article de référence | Réf : E1312 v1

Différents types de simulation
Validations virtuelles. Implémentation vers les outils numériques

Auteur(s) : Alain REINEIX, Etienne SICARD, Jesus ASPAS PUERTOLAS, Gilles AKOUN

Relu et validé le 21 juin 2017

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RÉSUMÉ

La complexité croissante des systèmes électroniques rend indispensable la maîtrise de leur comportement durant l’ensemble de leur durée de vie. La simulation numérique, dans sa globalité, est ainsi un outil incontournable face aux contraintes imposées par la certification. En effet, elle permet d’assurer le bon fonctionnement de ces systèmes lors de leur cohabitation dans le système complet (tel qu'un véhicule automobile ou un aéronef). Cette dernière doit aussi prendre en compte la complexité du problème (aspect multi échelle, problème multiphysique...).

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ABSTRACT

Virtual validations. Implementaion towards the numerical tools

Due to the growing complexity of electronic systems it has become essential to control their correct behaviour throughout their life-span. Numerical simulation, in its entirety,is thus an essential tool faced with the constraints imposed by certification. It, indeed allows for the correct functioning of these systems during their existance in the complete system (such as automobiles or an aircraft). Lastly it must also take into account the complexity of the problem (Multiscale aspect, multiphysics problems)

Auteur(s)

INTRODUCTION

Mvec l'accroissement du nombre de systèmes électroniques embarqués, l'évolution constante de leur complexité d'une part et l'augmentation du nombre de perturbateurs potentiels d'autre part, il devient difficile mais indispensable de maîtriser et d'assurer le bon fonctionnement des systèmes. Ceci est d'autant plus vrai que ces systèmes sont souvent destinés à augmenter le confort mais aussi la sécurité, par exemple dans les domaines aéronautique et automobile. De plus, on comprend bien que, même si tout est mis en œuvre pour vérifier les bonnes conditions de fonctionnement en environnement électromagnétiquement perturbé lors de la mise sur le marché du produit, il est indispensable d'assurer celles-ci tout au long de sa durée de vie et donc de pouvoir évaluer périodiquement l'évolution des marges de sécurité annoncées initialement.

Pour toutes ces raisons, aujourd'hui et pendant toutes les phases du cycle de vie du produit, un certain nombre d'analyses reposent sur la simulation numérique ou l'analyse physique des phénomènes décrits mathématiquement et résolus avec l'aide des techniques de calcul numérique. En Compatibilité Electromagnétique (CEM) des systèmes, depuis la conception préliminaire en passant par la conception détaillée, le choix de technologies, les spécifications aux différents fournisseurs, la qualification des sous-ensembles, la certification du système complet, jusqu'à la maintenance en conditions opérationnelles, de nombreuses phases peuvent être accompagnées de raisonnements qui s'appuient sur la résolution des équations régissant le comportement des champs électrique et magnétique dans l'espace et le temps : les équations de Maxwell.

Les équations de Maxwell, initialement écrites sous une forme différentielle ou intégrale dans le domaine temporel ou fréquentiel, peuvent prendre plusieurs formes suivant la technique de résolution choisie. Leur numérisation et la résolution d'un problème demandent l'élaboration d'un algorithme numérique reposant sur une technique donnée. Toutefois, la résolution d'un problème électromagnétique n'est pas simple et ce pour plusieurs raisons :

  • choix du modèle physique : le modèle est essentiellement lié à la vision qu'en a le modélisateur ; suivant le niveau de finesse (jusqu'à quelle échelle aller ?), le modèle sera plus ou moins complexe et, de ce fait, ne reflétera pas forcément les mêmes phénomènes ;

  • choix d'une discrétisation : pour un même modèle, la discrétisation va plus ou moins permettre de suivre les variations des champs et donnera donc un résultat différent suivant le cas ;

  • méconnaissance de certains paramètres physiques (permittivités...) : en simulation numérique, ces paramètres doivent être renseignés, le modélisateur doit donc faire un choix qui peut être dicté par une étude de sensibilité des observables face à une variabilité de ces paramètres.

La construction de modèles numériques demande naturellement leur validation, soit par rapport à des résultats connus soit par rapport à des tests physiques en laboratoire et/ou sur le système. Au niveau du cycle de vie, la construction de modèles doit suivre en parallèle le déroulement des diverses campagnes d'essais physiques. Pour pouvoir prendre en compte lors du cycle de conception toutes les modifications éventuelles qui peuvent apparaître au fur et à mesure de l'avancement du projet, les boucles de simulation doivent être suffisamment souples pour pouvoir répondre aux questions soulevées le plus tôt possible. C'est pour cette raison qu'un grand effort est porté aujourd'hui sur l'automatisation des procédures de « nettoyage » mais aussi sur la parallélisation dans la résolution des modèles. La gestion de configurations des modèles issus de ces étapes itératives devient impérative de façon à assurer la cohérence avec le dernier statut en termes de design.

Par ailleurs, lors du déroulement d'un projet de conception, il peut arriver que des contraintes, liées à d'autres métiers comme la thermique, la mécanique ou bien simplement une évaluation des coûts ou de poids, ou un changement de solutions techniques, viennent questionner le choix d'une solution de protection CEM. Cette complexité supplémentaire a donné lieu à l'élaboration de techniques hybrides reposant, entre autres, sur la suppression de la dépendance spatiale des équations aux dérivées partielles. Cette compression spatiale du problème permet ensuite de simuler, à un coût moins élevé, des changements sur les conditions aux limites du système qui permettent d'interfacer les modèles avec d'autres physiques au sein du même simulateur.

Enfin, le dernier élément de la chaîne d'un système complexe concerne les composants. Dans ce contexte nous décrirons les avancées autour du format IBIS (Input/Output Buffer Information Specification) permettant de conduire des simulations de l'intégrité du signal entre composants, avec en particulier la prise en compte des bus de données rapides.

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KEYWORDS

Numerical simulation   |   finite differences   |   finite elements   |   experimental design   |   hibrid methods   |   IBIS model

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1312


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2. Différents types de simulation

2.1 Choix de la méthode de simulation

Comme nous l'avons vu plus haut, un système est souvent fortement multi-échelle ; si une méthode d'analyse numérique est adaptée à une échelle donnée, rien ne dit qu'elle soit la meilleure candidate à une échelle supérieure. Dans cette partie, nous allons nous positionner à une échelle donnée et voir quel type d'outil d'analyse peut être utilisé à travers un tour d'horizon rapide des principales méthodes numériques classiquement employées.

Depuis des années, bon nombre d'outils de simulation numérique ont été développés : la simulation numérique n'a réellement pris son essor qu'avec l'avènement des ordinateurs actuels et des moyens informatiques sans cesse plus performants (cadence des processeurs, mémoire vive, parallélisme...). Toutefois, les premiers schémas numériques pour la résolution des équations de Maxwell ont plus de 50 ans, depuis ils n'ont cessé d'évoluer et de se diversifier.

Afin de décrire les différentes approches, il est important de les classifier. Pour ce faire, dans le domaine de la propagation des ondes électromagnétiques on se ramène souvent à l'étude d'un problème de diffraction qui, somme toute, constitue le cas général. En effet, pour un système en émission, cela revient, numériquement, à localiser un champ source à l'endroit du générateur alors qu'en immunité, la source a un effet global et induit des courants sur toute la structure. Intuitivement, on peut alors se douter que les courants ne seront pas identiques en tout point du système soumis à un champ externe, d'où la nécessité de discrétiser pour évaluer les différents courants avec le plus de précision possible. Partant de cette constatation, on se rend bien compte que plus la fréquence va augmenter, plus le courant induit va varier spatialement. Ainsi, le pas de discrétisation est directement lié à la longueur d'onde du signal incident sur le système à analyser. Compte tenu des dimensions de l'objet à tester et des longueurs d'onde mises en jeu, apparaît tout de suite la première difficulté : les ressources informatiques disponibles. Cette remarque nous amène directement à un choix de méthode lié à une grandeur sans dimension appelée « taille caractéristique ou dimension électrique du problème », notée a, qui est le rapport...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KELLER (J.B.) -   The geometrical theory of diffraction,  -  Proc. Symp. on Microwave Optics, Eaton Electronics Research Lab., McGill University, Montreal, Canada (1953).

  • (2) - KOUYUUMJIAN (R.G.), PATHAK (P.M.) -   A Uniform geometrical theory of diffraction for an edge in a perfectly conducting surface,  -  Proc. IEEE, Vol. 62, pp. 1448-1461, November 1974.

  • (3) - VAUDON (P.) -   Contribution à l'étude de la théorie géométrique de la diffraction. Application à la conception et à l'optimisation d'une base e mesure d'antennes  -  Thèse de Doctorat de l'université de Limoges, n 38-91 (1991).

  • (4) - TAFLOVE (A.), HAGNESS (S.C.) -   Computational Electrodynamics : The finite-difference time-domain method,  -  2nd ed. Norwood, MA : Artech House, (2000).

  • (5) - YEE (K.S.) -   Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media,  -  IEEE Trans. Antennas Propag., 14, 302–307 (1966).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • La compatibilité électromagnétique dans les circuits intégrés

  • Compatibilité électromagnétique. Notions fondamentales

1 Outils logiciels

E. Sicard, A. Boyer « IC-EMC v2.5 », logiciel et manuel d'utilisation à accès libre en ligne sur http://www.ic-emc.org

HAUT DE PAGE

2 Événements

Les workshops internationaux EMC Compo (plus d'information sur http://www.emccompo.org)

Les « IBIS summits » (plus d'information sur http://www.eda.org/ibis/summits/

HAUT DE PAGE

3 Normes et standards

IEC 61 967 - pour la caractérisation de l'émission des composants, plus d'information http://www.iec.ch - -

IEC 62 132 - pour la caractérisation de la susceptibilité des composants, plus d'information http://www.iec.ch - -

IEC 62 433 - pour la modélisation CEM des composants, plus d'information http://www.iec.ch - -

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