Compatibilité électromagnétique

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1 Compatibilité électromagnétique Tout système électrique et électronique génère des perturbations électromagnétiques rayonnées ou conduites par le réseau de distribution d énergie (si le système est relié au réseau). Il est lui-même perturbé par les systèmes voisins. La compatibilité électromagnétique ou CEM est l étude des sources de perturbations, de l effet de ces perturbations sur les victimes (susceptibilité électromagnétique), et du mode de couplage entre le perturbateur et les victimes. Couplage Perturbateur Victime A partir de ces études un certain nombre de normes ont été définies, afin de limiter les perturbations produites par un système et éventuellement de garantir une faible susceptibilité des systèmes. Ces normes interviennent aujourd hui dès la conception d un système. Il est en effet beaucoup plus simple de concevoir un système en tenant compte des normes plutôt que de le modifier par la suite pour l y faire entrer. L objectif de cet exposé est de donner les bases minimales nécessaires à la compréhension de la CEM. 1 Notions préliminaires 1.1 La masse ou La masse d un système électronique est le potentiel qui va servir de référence ; il est fortement souhaitable que ce potentiel soit le même pour tous les composants, faute de quoi la transmission d information entre les diverses fonctions d une carte électronique risque de devenir hasardeuse. On essaiera donc de maintenir le potentiel de masse d une carte électronique, voire de tout un système, identique quel que soit le point de mesure. 1.2 La terre Le potentiel de la terre peut être considéré, en première approximation, comme constant dans le temps et dans l espace. La terre constitue donc une référence naturelle. Relier la masse d un système électronique à la terre constitue un bon moyen de fixer le potentiel de la masse (ce qui ne garantie pas que ce potentiel soit le même sur toute la carte), mais surtout d évacuer les perturbations comme nous le verrons. Cette liaison n est cependant pas toujours possible (appareils portables, absence de conducteur de terre dans l alimentation, etc ). 1.3 Propagation d un signal en mode différentiel et en mode commun Dans la quasi-totalité des cas, la propagation du signal utile se fait en mode différentiel, c est à dire que le courant utilise deux fils d un même câble pour circuler, l un dans le sens aller le second dans le sens retour. La tension différentielle est alors la différence de potentiel entre ces deux conducteurs. conducteur aller conducteur retour câble / 2 I DIF V DIF V MC / 2 I DIF Denis Rabasté 1/9 IUFM Aix Marseille

2 Il existe un autre mode de propagation, appelé mode commun, où le courant utilise le câble comme un conducteur unique. La tension de mode commun est alors la différence de potentiel entre le câble et la terre ou éventuellement la masse. Ce mode de propagation est dans la quasi-totalité des cas parasite. L analyse des couplages des perturbations étant généralement plus facile en raisonnant sur des courants, nous parlerons de préférence du courant de mode commun plutôt que la tension de mode commun. Un courant de mode commun circule généralement à travers une boucle dont le chemin aller constitue un câble et le chemin retour un autre câble ou la terre, ou la masse comme le montre la figure suivante. isolé mis à la masse capacité parasite L origine de ce courant peut être diverse comme nous allons le voir, par exemple une force électromotrice induite par un champ magnétique variable dans la surface d une boucle composée d un câble et de la terre. Cette boucle étant de surface généralement importante par rapport à celle qui existe entre les deux conducteurs très proche d un même câble, on comprend que les perturbations en mode commun seront généralement d amplitude très supérieure à celles en mode différentiel. Lorsqu un courant de mode commun traverse une carte électronique, la moindre dissymétrie sur son chemin provoque sa conversion en signal de mode différentiel. Sur le schéma suivant par exemple, le courant de mode commun entrant dans le montage sera sans effet si R1=R2, C1=C2, R3=R4 et R5=R6. Ne serait ce qu à cause des tolérances des éléments, cette condition est difficile à réaliser. R5 entrée Umc Imc / 2 Imc / 2 R1 R2 C1 C2 R3 R4 R V+ V- OUT 1 sortie Si la perturbation est dans la même gamme de fréquence que le signal utile, il devient alors quasiment impossible de faire la différence entre les deux. 2 Etude des modes de couplage entre le perturbateur et la victime La perturbation peut être conduite ou rayonnée ; il existe 6 modes de couplage que l on peut classer en 4 catégories. A chaque fois le couplage peut se faire en mode commun ou différentiel. 2.1 Couplage par impédance commune La masse d un système étant un conducteur non parfait, elle présente une résistance, ainsi qu une inductance non négligeable si le signal est de fréquence suffisamment élevée. La circulation d un courant provoque donc une chute de tension, supprimant l équipotentialité de la masse. Dans la figure suivante, le courant circulant dans le moteur perturbe la tension d entrée de la porte logique par un couplage par impédance de masse commune. Cette perturbation se fait ici en mode différentiel. Denis Rabasté 2/9 IUFM Aix Marseille

3 1 1 2 D1 + A - 2 Cde V 2 IN OUT 7 Cde - V I moteur impédance de masse Le même raisonnement que celui fait avec la masse peut être appliqué avec la terre. Dans l exemple suivant la circulation d un courant de mode commun dans la terre (du à la foudre par exemple), provoque une différence de potentielle aux bornes de l impédance de terre, provoquant à son tour la circulation d un courant 2 à travers les systèmes A et B. On aurait pu raisonner aussi en disant que le courant 1 se divisait en arrivant sur le premier système, l impédance de terre n étant pas nulle. La perturbation dans cet exemple est alors de mode commun. isolé mis à la terre capacité parasite Z 2 U MC 2.2 Couplage par champ magnétique Un champ magnétique variable provoquera dans une boucle une force électromotrice induite φ étant le flux magnétique circulant à travers la surface de la boucle. dφ e =, dt Couplage champ à boucle Lorsque l origine du champ est lointaine et que l on n'a pas de moyen d action dessus (émetteur télévision sur la colline voisine par exemple), on parle de couplage par champ à boucle. La figure suivante illustre sur le même exemple ce type de couplage en mode différentiel et en mode commun. I DIF B isolé U DIF mis à la masse U MC Denis Rabasté 3/9 IUFM Aix Marseille

4 Le champ magnétique B induit une force électromotrice de mode différentiel et de mode commun. La surface de la boucle étant plus importante en mode commun, on conçoit que le phénomène est généralement plus important Diaphonie inductive Lorsque le perturbateur est proche de sa victime, on parle plutôt de diaphonie inductive, illustrée par les figures suivantes en mode différentiel et commun. Le courant perturbateur de cet exemple est de la forme de celui que l on peut trouver traversant le transistor d une alimentation à découpage. H H I PERTURBATEUR V DIF V MC L étude du couplage peut alors éventuellement se faire en considérant les inductances mutuelles entre perturbateurs et victimes. 2.3 Couplage par champ électrique Un champ magnétique E éclairant une surface conductrice S à travers un milieu de permittivité ε de provoquera la circulation d un courant i tel que i = ε S. dt Couplage par champ à fil Lorsque l origine du champ est lointaine et que l on n a pas de moyen d action dessus, on parle de couplage par champ à fil. La figure suivante illustre ce type de couplage en mode commun. isolé mis à la masse E capacité parasite surface conductrice Couplage capacitif Si la tension qui a crée le champ électrique est connue et proche de la victime, le problème devient un dv simple couplage capacitif avec i = C, le terme C représentant la capacité de couplage. dt La figure suivante illustre ce couplage en mode différentiel et commun pour un signal perturbateur tel que l horloge d un système numérique. Denis Rabasté 4/9 IUFM Aix Marseille

5 I DIF V PERTURBATEUR 2.4 Couplage par carte à châssis Une différence de potentiel entre la masse d une carte électronique et la terre (la masse n étant pas reliée à la terre), provoquera la circulation d un courant à travers les capacités parasites reliant la carte à la terre. Ce courant se répartissant de manière aléatoire sur la carte, générera des perturbations. V PERTURBATEUR Ce phénomène est parfois connu sous le nom «d effet de main» : une carte fonctionnant «correctement» se verra perturbée par l approche de la main de l expérimentateur (la capacité parasite augmente, donc le courant aussi), puis fonctionnera de nouveau correctement lorsque la main touchera la carte (qui est mise à peu près au potentiel de la terre, le courant perturbateur ne traversant alors plus la carte). 3 Exemples de sources de perturbations Comme nous l avons vu, les perturbations peuvent être rayonnées ou conduites, généralement par le réseau de distribution d énergie dans ce dernier cas. On peut également les classer par le fait qu elles soient intentionnelles ou non, entretenues ou non. Les tableaux suivants présentent quelques perturbations et ordre de grandeur classiques : utilisation radiodiffusion et services maritimes (bandes kilométrique et hectométrique) radiodiffusion en ondes courtes radiodiffusion en bande de fréquence puissance apparente rayonnée maximale distances faibles typiques champ 14 khz à 1,6 MHz 2,5 MW 5 à 20 km 2,2 à 0,55 2 à 26 MHz 100 kw 0,5 à 2 km 4,4 à 1,1 87,5 à 108 MHz 100 kw 0,1 à 1 km 22 à 2,2 ondes métriques CB 27 MHz 10 W 10 à 100 m 2,2 à 0,22 talky walky 150 à 470 MHz 5 W 1 à 10 m 16 à 1,6 exemples de perturbations rayonnées intentionnelles Denis Rabasté 5/9 IUFM Aix Marseille

6 utilisation bande de fréquence niveau max. observé 0,1 à 1 khz 5% UN signaux de contrôle produits par 3 à 20 khz 2% UN le distributeur 20 à 90 khz 0,3 à 1 V signaux de communication produit par les consommateurs 95 à148 khz 0,3 à 1 V exemples de perturbations conduites intentionnelles sur le réseau de distribution d'énergie perturbateur perturbation mesurée bande de fréquence réseau de distribution HT 3 kv/m sous la ligne 50 Hz et harmoniques 220 kv réseau de distribution HT 65 dbµv sous la ligne à > 1MHz 220 kv par effet Corona 500 khz moteurs à balais 60 dbµv 9 khz table de cuisson à induction 70 dbµa/m à 3 m qq. dizaine de khz exemples de perturbations non-intentionnelles entretenues Citons également : - le champ magnétique de fuite d un transformateur d alimentation, - le champ magnétique produit par le système de déviation magnétique d un tube cathodique, - les perturbations sur le réseau dues à l enclenchement de charge importantes, - les perturbations sur le réseau dues à la commutation des ponts redresseurs de puissance, - les décharges électrostatiques (tension de l ordre du kv, courant de plusieurs ampère pendant un temps très court), - les signaux numériques, horloges en particuliers (couplages capacitifs), - les alimentations à découpage (perturbations rayonnées et conduites). 4 Quelques règles élémentaires à appliquer à la conception des cartes électronique On consultera avec profit pour cette partie, l ouvrage intitulé «Tracé des circuits imprimés» de P. Dunand cité en bibliographie. 4.1 Découplage des alimentations Chaque carte, et à l intérieur de chaque carte, chaque circuit intégré et chaque fonction devra avoir son alimentation découplé par un ou plusieurs condensateur placé en parallèle, le plus près possible du bloc concerné. Cette précaution a pour but de filtrer l alimentation (filtre passe bas réalisé par le condensateur et les résistances et inductances parasite des liaisons d alimentation), ainsi que d éviter lors des appels de courant de provoquer une brusque variation de courant sur les lignes d alimentation (couplage par inductance commune, couplage inductif). La valeur de la capacité devra être calculée en fonction des appels de courants susceptibles de se produire. Suivant la fréquence de fonctionnement, plusieurs condensateurs seront nécessaires : par exemple un condensateur électrochimique de 100 µf comme réservoir d énergie (forte valeur mais mauvais comportement fréquentiel), avec en parallèle un condensateur plastique de 100 nf destiné à filtrer les perturbations hautes fréquences. 4.2 Cas des circuits analogiques Le plan de masse est la solution idéale pour assuré une bonne équipotentialité de la masse. Lorsqu il n est pas possible, on considérera que les circuits analogiques échangent essentiellement les informations depuis un étage vers le suivant en «chaîne cascadée». Il est donc important d assurer l équipotentialité des masses au moins entre deux étages voisins, en «chaînant» les alimentations ; Denis Rabasté 6/9 IUFM Aix Marseille

7 on placera les éléments perturbateurs (puissance) proche de l alimentation, puis on alimentera ensuite en cascade les éléments sensibles en filtrant correctement. On alimente ainsi «le propre par le sale». La solution de la masse étoilée n est viable qu en basse fréquence car elle introduit des longueurs de connexions supplémentaires, favorisant ainsi le couplage par impédance commune et par rayonnement. 4.3 Cas des circuits numériques Là encore le plan de masse est idéal. S il n est pas possible, on considérera cette fois que les circuits numériques échangent des informations dans toute les directions (exemple : distribution de l horloge) ; on essaiera alors de se rapprocher du plan de masse en faisant un maillage des alimentations. 4.4 Cas des circuits mixtes Là aussi on utilisera un plan de masse dans la mesure du possible. Lorsque l alimentation est commune, on appliquera la règle d alimenter le propre (analogique sensibles) par le sale (numérique perturbateur). On évitera ensuite de connecter les alimentations, qu aux endroits indispensables des circuits intégrés mixtes (CNA, CAN, filtres à capacités commutées etc ). Lorsqu une piste numérique devra circuler dans la partie analogique (horloge d un filtre à capacités commutées) on routera à proximité la masse numérique pour éviter le couplage capacitif. 4.5 Placement des connecteurs Les connexions de la carte avec l extérieur seront toutes placées du même côté de la carte, afin d éviter la traversée de cette dernière par les courants de mode commun. 4.6 Liaison avec la terre et le boîtier Relier la masse à la terre permet d évacuer vers cette dernière les courants de mode commun et d éviter ainsi qu ils ne traversent la carte. Si la carte se trouve dans un boîtier métallique, relier ce dernier à la masse afin de réduire le couplage carte à châssis ; si la carte est de plus alimentée par le réseau de distribution d énergie, il sera impératif, dans le régime de neutre classique TN, de relier le boîtier à la terre, afin d assurer la protection des personnes. Si la carte se trouve dans un boîtier plastique, le couplage carte à châssis sera très important ; on peut le réduire fortement en plaçant sous la carte un feuillard conducteur relié impérativement à la masse. 4.7 Liaison entre deux cartes La liaison idéale se fera par câble blindé (2 conducteurs dans une enveloppe métallique), relié à la masse des deux côtés si possible. Si la liaison se fait par deux conducteurs simples, torsader ceux-ci afin de diminuer le couplage magnétique. Dans le cas d une liaison par nappe, on limitera la diaphonie en utilisant une nappe avec feuillard conducteur relié à la masse ou en plaçant un conducteur relié à la masse entre chaque signaux. Si la liaison est longue, on pourra augmenter l impédance en mode commun (et donc diminuer le courant) en basse fréquence en plaçant une isolation galvanique par transformateur ou mieux par opto-coupleur ; les perturbations hautes fréquences pourront ensuite être filtrées. On se protégera en haute fréquence contre le mode commun en faisant passer le câble dans une ferrite (faire éventuellement plusieurs tours) : l inductance du circuit mode commun est alors importante, tandis que celle du circuit de mode différentiel n est pas affectée. Les entrées de la carte devront être le plus symétrique possible afin d éviter la conversion du mode commun en mode différentiel. 4.8 Liaison avec le réseau de distribution d énergie Il faudra à la fois se protéger des perturbations conduites et éviter d en générer (voir la normalisation) en mode différentiel comme en mode commun. On place généralement pour cela un filtre secteur relié à la terre. Denis Rabasté 7/9 IUFM Aix Marseille

8 Phase L côté réseau Neutre Cx M L côté utilisation Cy Cy Terre Les inductances L et la capacité Cx filtrent le mode différentiel, tandis que les inductances M fortement couplées et les condensateurs Cy filtrent le mode commun en envoyant les courants vers la terre. On notera au passage la symétrie du filtre pour éviter toute conversion mode commun mode différentiel. 5 La normalisation En fonction de l utilisation de l appareil des normes définissent le degré de pollution généré ; ces normes concernent les perturbations rayonnées et conduites. 5.1 Perturbations rayonnées La norme définit en fonction de la fréquence, la valeur dans laquelle le champ électrique, mesuré à une certaine distance de l appareil, doit rester. E dbµv/m f (MHz) Les conditions de mesures sont explicitement précisées : type d antenne, accord etc Afin de se soustraire du champ électrique ambiant (émetteurs radiofréquences divers), il est souhaitable d effectuer ces mesures dans une chambre dite anéchoïde, fort onéreux, dont l utilisation est limitée à quelques entreprise spécialisées. Exemple La norme NFC EN définit, pour les appareils de traitement de l information (ATI) classe B (pouvant être vendu sans restriction), les conditions suivantes : gamme de fréquence (MHz) distance de mesure champ maximal moyen (dbbµv) 30 à à Perturbations conduites Les perturbations générées vers le réseau de distribution vont dépendre de l impédance de celui-ci, donc de l endroit et de l instant où les mesures sont faites. Pour s affranchir de ce problème, on intercale entre l appareil en test et le réseau de distribution, un appelé «réseau stabilisateur d impédance» ou RSIL. Il ne sera présent qu au moment de la mesure. Sa structure est la suivante : Phase L sil C sil côté réseau R sil côté utilisation R sil Neutre L sil C sil Denis Rabasté 8/9 IUFM Aix Marseille

9 Les inductances L sil permettent de bloquer les perturbations hautes fréquences, et obligent les courants à circuler dans R sil où ils seront mesurés. Ces résistances font 50 Ω (impédance d entrée des analyseurs de spectre). Les condensateurs C sil évite que le signal à 50 Hz ne passe dans la résistance (ce n est pas lui que l on souhaite mesurer). La norme ne fait pas de différence entre les perturbations de mode commun et de mode différentielle. La conception du système doit cependant prendre en compte cette différence afin de savoir sur quels paramètres agir afin de faire entrer l appareil dans la norme. Exemple La norme NFC EN définit, pour les appareils de traitement de l information (ATI) classe B (pouvant être vendu sans restriction), les conditions suivantes : gamme de fréquence (MHz) Limite (dbbµv) valeur quasi-crête 0,15 à 0, ,5 à à Limite (dbbµv) valeur moyenne La différence entre les valeurs quasi-crête et les valeurs moyennes dépend de la constitution du détecteur d enveloppe de la mesure de la tension aux bornes de Rsil (détecteur définit précisément dans la norme). Bibliographie Parasites et perturbations des électroniques tomes 1,2,3,et 4 par A. Charoy chez Dunod Tracé des circuits imprimés par P. Dunand chez Dunod Cours sur internet de F Rachidi Sujet de capet électronique externe STI 96 Denis Rabasté 9/9 IUFM Aix Marseille