Techniques de mesures en champ proche appliquées à la CEM

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1 Techniques de mesures en champ proche appliquées à la CEM David BAUDRY ESIGELEC/IRSEEM D. BAUDRY Septembre 28 1

2 Institut de Recherche en Sstèmes Électroniques Embarqués créé en 21 avec: - la CCI de Rouen et - une quarantaine d industriels des filières automobile, aéronautique/spatial et des secteurs de l électronique et des télécommunications. Les aes de recherche s articulent autour de 3 pôles: Automatique & Sstèmes (contrôle et diagnostic moteur) Instrumentation, Informatique & Sstèmes (instrumentations et sstèmes, transport intelligent). Électronique & Sstèmes (électromagnétisme, CEM et hperfréquences) 14 enseignants-chercheurs 3 techniciens 1 professeur associé 19 doctorants 2 stagiaires Une activité transversale: transfert de technologie et développement économique local D. BAUDRY Septembre 28 2

3 Problématiques Compleité des dispositifs électroniques (forte intégration et miniaturisation des composants ) => risque de perturbations électromagnétiques Présence de câbles et connecteurs => Intégrité des signau compromise Objectifs Connaître le raonnement électromagnétique dans l environnement proche des sstèmes, cartes et composants Caractériser la susceptibilité locale des cartes et composants à une agression raonnée Applications Outil de diagnostic et d aide à la conception Modélisation du raonnement des cartes et composants D. BAUDRY Septembre 28 3

4 Technique de mesures en champ proche Champs d investigation des mesures électromagnétiques en champ proche Sstèmes Composants Diagnostic CEM en émission : Diagnostic CEM en immunité : Diagnostic CEM en émission : Diagnostic CEM en immunité : Localisation des sources de raonnement Maîtrise des couplages Optimisation des blindages Localisation des couplages sur une carte Détermination des ones de faiblesses Mesure des émissions conduites Mesure des émissions raonnées Raonnée Décharges électrostatiques Modélisation/simulation Modélisation/simulation Modélisation Modélisation D. BAUDRY Septembre 28 4

5 Banc champ proche de l IRSEEM Méthode de mesure directe utilisant des sondes électroniques Obtention des composantes E et H en 2D et 3D Transposable en milieu industriel Snoptique : Robot 5 aes avec une résolution mécanique de 1µm en (,, ) Précision des 2 rotations de.9º PC Equipement de mesure Analseur Réseau Analseur Spectre Sonde Microcontrôleur D. BAUDRY Septembre 28 5

6 Sondes disponibles : mesure de champ électrique Sonde de mesure de la composante normale du champ électrique (EPZ) Sonde de mesure des composantes tangentielles du champ électrique (EPXY) Sonde diamètre de l âme centrale (µm) coupleur hbride 18 EPZ1 51 EPZ2 28 EPZ3 1 D. BAUDRY Septembre 28 6 câble coaial dipôle

7 Sondes disponibles : mesure de champ magnétique Sondes de mesure du champ magnétique (HXYZ) coupleur hbride 18 câble coaial Boucles de différentes surfaces et de nombre de spires différent, utilisables selon l application boucle D. BAUDRY Septembre 28 7

8 Mesure avec l analseur de réseau Pour modéliser, nous avons besoin de disposer de l amplitude et de la phase du champ raonné à une certaine distance au-dessus du composant Difficulté: Récupération de la phase du champ raonné par un dispositif sans lui injecter de puissance etérieure à la carte Analseur de réseau vectoriel Analseur de réseau vectoriel PC PC Signal de référence Sonde champ magnétique Sonde champ magnétique Self Self Quart Configuration de test pour les éléments passifs D. BAUDRY Septembre 28 8 Configuration de test pour les éléments actifs

9 CEM des composants: Mesure des émissions raonnées Norme IEC : méthode de balaage en champ proche. -1 H -3-1 H -3 broche Applications : Étude de l activité interne du composant Connaissance de la topologie électromagnétique Comparatif des niveau d émissions de différents composants puce Circuit intégré boitier Fil de bonding (mm) (mm) (mm) -1 1 H (mm) -1 1 (mm) (mm) H (dba/m) broches d alimentation (V DD et V SS ) Mesure des émissions raonnées d un microcontrôleur Composantes tangentielles de l ecitation magnétique D. BAUDRY Septembre 28 9

10 Immunité en champ proche (1) Fort intérêt des industriels pour ce domaine Caractérisation de la susceptibilité des composants en utilisant un banc champ proche Robot 3 aes Snthétiseur, Amplificateur, Oscilloscope Sonde simple spire r=3mm Composant Snoptique du banc champ proche utilisé en immunité D. BAUDRY Septembre 28 1

11 Immunité en champ proche (2) Objectifs : Localisation des composants sensibles à des perturbations etérieures Adaptation du banc de mesures champs proches pour effectuer des tests en immunité Etude de deu versions d un émetteur RF 1.12GH ƒ(kh) 1.8GH ƒ(kh) ƒ(kh) Perturbation locale à l aide d une sonde de champ électrique entre 1 et 2GH Carte I-A Carte I-B Dsfonctionnement se traduisant par un décalage de la fréquence de fonctionnement Carte II-A Carte II-B D. BAUDRY Septembre 28 11

12 Immunité en champ proche (3) Agression locale d un inverseur pour deu orientations de la sonde: P injectée =1W, f=1.2 GH Orientation de la boucle Orientation de la boucle -5 X Orientation -5 Y Orientation I O (mm) (mm) défaut V DD (mm) (mm) (a) Cartographie de la susceptibilité de l inverseur (b) D. BAUDRY Septembre 28 12

13 Modélisation D. BAUDRY Septembre 28 13

14 Post-traitement des mesures en champ proche (1/3) Objectifs: calcul des trois composantes du champ magnétique dans différents plans à partir de 2 mesures du champ magnétique en champ proche Utilisation de la théorie du spectre d ondes planes: H H r 1 = dk 2 4 π 1 jk j( k + k ) = F( k, ) dk 2 k e e dk 4 π r jk. (,, ) F( k, k ) e dk (,, ) [ ] F ( k). k + F ( k). k F ( k) = k r F( k ) = d r = F( k ) = e jk d Champ calculé Champ mesuré =d = Mesures de H,,H dans le plan = Calcul de F, F et F à = Calcul de F, F et F à =d Estimation de H à = Circuit testé Estimation de H,,H et H à =d Calcul du champ magnétique en utilisant la théorie du spectre d ondes planes D. BAUDRY Septembre 28 14

15 Post-traitement des mesures en champ proche (2/3) Circuit testé: Oscillateur (quart + inverseurs) f=4 MH (a) (b) (a) Mesures à 2mm, (b) H calculé par le spectre d ondes planes à 2mm. D. BAUDRY Septembre 28 15

16 Post-traitement des mesures en champ proche (3/3) Champ magnétique mesuré et calculé à 5mm Variation du maimum du champ magnétique jusqu à,5m D. BAUDRY Septembre 28 16

17 Modélisation des émissions raonnées Obtention des sources responsables du raonnement du composant pour calculer le champ magnétique à différentes distances audessus du composant Possibilité de modéliser des circuits intégrés et des cartes en 2D (plan XY) Modèle basé sur un réseau de dipôles équivalents Champ raonné l θ 1 θ 2 θ 3 θ 4 Dispositif à modéliser Réseau de dipôles D. BAUDRY Septembre 28 17

18 D. BAUDRY Septembre Modèle basé sur des dipôles électriques Equations du raonnement d un dipôle ( ) ( ) ( ) R + + = avec Inconnues: I et θ ( ) ( ) A r r H = 1 µ = = i i ij i j i i ij i j I H I H θ α θ α cos sin i: points sources j: points de mesure ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] θ α θ α θ ω θ ω π θ α θ ω π θ α θ ω π cos sin cos sin 4 os cos 4 sin sin = = = + = = + = jkr jkr jkr I c j R c j R R e I H c I c j R R e I H I c j R R e I H l l l Champ magnétique mesuré Calculé r r' l R θ

19 Modèle basé sur des dipôles électriques Construction d un modèle d émission raonnée du composant basé sur des sources équivalentes déterminées à partir de mesure champ proche. Positionnement manuel des sources sur les maima de champ magnétique. Courants déterminés par itérations successives. ligne de courant équivalente -2 H mesurée -2-2 H mesurée -2-2 H mesurée -2 Mesures -1 (mm) dba/m H simulée -2-2 H simulée -2-2 H simulée -2 Modèle d émission dba/m (mm) Modélisation des émissions raonnées d un microcontrôleur D. BAUDRY Septembre 28 19

20 Modèle basé sur des dipôles électriques Implémentation du modèle dans un code 3D Objectif : implémentation du modèle dans un code 3D pour étudier les couplages avec des pistes voisines. Utilisation du logiciel CST Microwave Studio 26 (Technique d intégration finie). Réseau de dipôle simulé D. BAUDRY Septembre 28 2

21 Modèle basé sur des dipôles électriques Comparaisons -2 H modèle -2 H modèle -2 H modèle Modèle H simulation -2 H simulation -2 H simulation Outil de simulation électromagnétique 3D D. BAUDRY Septembre 28 21

22 Modèle basé sur des dipôles électriques Validation Mesure de la composante H à une hauteur de 5 mm au-dessus du composant Comparaisons mesure / modèle / outil de simulation 3D -2 H mesure -4-2 H modèle -4-2 H simulation -4 dba/m (mm) (mm) (a) (b) (c) Mesure Modèle Outil de simulation électromagnétique 3D D. BAUDRY Septembre 28 22

23 CEM Sstème: Modélisation d une carte de puissance (1) Champ magnétique mesuré au-dessus d une carte de puissance fréquence : 1 MH Mesure des 3 composantes du champ magnétique H (db A/m) Magnetic Dipole Position (mm) Imposed Orientation of the Moment Moment of the Magnetic Dipole 1.e-6 (A.m 2 ) 1 (215,35,1) (, 1, ) (215, 55, 1) (, 1, ) (15, 2, 8) (, 1, ).54 4 (17, 35, 13) (, -1, ) (16, 45, 15) (,, 1) (145, 1, 12) (,, -1).496 D. BAUDRY Septembre 28 23

24 CEM Sstème: Modélisation d une carte de puissance (2) H (dba/m) Mesure H (dba/m) Mesure H (dba/m) Mesure Modèle Modèle Modèle D. BAUDRY Septembre 28 24

25 Conclusion La détermination des cartographies des différentes composantes électromagnétiques permet La localisation des sources de raonnement dans des sstèmes électroniques L obtention de modèles d émissions raonnées de composants et cartes, qui permettent de simuler l ensemble du sstème et prévoir ainsi les émissions électromagnétiques Les cartographies en susceptibilité permettent de localiser les ones sensibles à des perturbations raonnées D. BAUDRY Septembre 28 25