ECOLE SUPERIEURE de PLASTURGIE CEM : Couplages des Perturbations COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE : COUPLAGES DES PERTURBATIONS 1. Introduction La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) est l'aptitude d'un appareil électrique à fonctionner dans un environnement électromagnétique déterminé sans être perturbé et sans perturber les autres. Il doit avoir un niveau d'immunité ou "susceptibilité" suffisamment élevé. Il ne doit pas émettre trop de perturbations. L amélioration de la CEM est obtenue par différents types d actions : 1. Diminution des sources externes Par exemple, nous pouvons réduire les perturbations dues aux décharges électrostatiques en augmentant l humidité des locaux, en utilisant un sol antistatique etc. 2. Augmentation de la susceptibilité Un système électronique peut être «durci» en choisissant les composants les moins sensibles aux perturbations (différentes familles technologiques : TTL CMOS etc.) 3. Réduction des couplages Pour une source externe déterminée, le niveau de perturbations reçues par un appareillage dépend des couplages, c est à dire du chemin de propagation entre la source et la victime. Source Chemin de propagation Victime Champ E champ H Susceptibilité Rayonnement et conduction Courants parasites 2. Modes de propagation Figure 1 Compatibilité Electromagnétique. Les perturbations peuvent se propager de deux manières : soit en conduction, soit en rayonnement. Dans le premier cas les perturbations interviennent soit en mode commun (MC) soit en mode différentiel (MD). Dans le second cas les perturbations sont rayonnées sous forme de champ électrique et de champ magnétique. 19/06/01 CEM - couplages des perturbatio 1
3. Modèle des deux boites 3.1. Mode différentiel CEM : Couplages des Perturbations Les signaux utiles sont généralement transmis en mode différentiel, appelé aussi mode «série», mode «normal» ou mode «symétrique». Exemple : alimentation, transmission sur 2 fils etc. I MD Emetteur V MD Récepteur Liaisons à la masse I MD Figure 2 Mode différentiel. La tension de mode différentielle est mesurée entre les 2 fils, elle peut être mesurée avec une sonde différentielle. L étage d entrée des systèmes électroniques comporte souvent un amplificateur différentiel. Le courant de mode différentiel se boucle sur les 2 fils de liaison, il circule en sens opposé sur chacun des fils. Ce courant peut être mesuré au moyen d une sonde de courant parcourue par les 2 fils en sens opposé. I MD I MD On mesure 2 I MD 3.2. Mode commun Figure 3 Mesure du courant de mode différentiel. Le mode commun est très peu utilisé pour les signaux utiles, il correspond souvent à un mode parasite. Il est aussi appelé mode «parallèle», mode «longitudinal», ou mode «asymétrique». Emetteur I MC /2 I MC /2 Récepteur I MC Figure 4 Mode commun. Les tensions de mode commun se développent entre les fils de liaisons et la référence de potentiel : masses des appareils, fil de protection équipotentielle PE. 2
La tension de mode commun est définie comme étant égale à la valeur moyenne de la d.d.p. entre les différents fils et la masse. Le courant de mode commun est égal au courant qui s écoule à la masse, ce courant se partage entre les différents fils de liaison, dans le même sens sur chacun des fils. Il peut être mesuré par une sonde de courant parcourue par les 2 fils dans le même sens. I MC/2 I MC/2 On mesure I MC Figure 5 Mesure du courant de mode commun. 3.3. Perturbations Les signaux parasites des systèmes se superposent aux signaux soit en mode différentiel, soit en mode commun. e MD Emetteur Récepteur e MC Figure 6 Différents modes de perturbations. Les perturbations de mode différentiel sont a priori plus gênantes car elles sont en série et donc directement superposées aux signaux utiles : e MD. Cependant les perturbations de mode commun : e MC sont généralement de bien plus forte amplitude. De plus, elles se transforment très facilement en mode différentiel dès qu il y a un déséquilibre des impédances d entrée des systèmes électronique. En conséquence, ce sont les perturbations de mode commun qui posent le plus de problèmes en CEM. 1 2 e MD e MD 0 e MC C 1 C 2 si 1 2 ou si C 1 C 2 Figure 7 Conversion du mode commun en mode différentiel. 3
3.4. Modèle des 2 boîtes CEM : Couplages des Perturbations Le "modèle des deux boîtes" représenté par la Figure 8 regroupe les 2 modes : commun et différentiel sur un seul schéma représentant une liaison bifilaire entre un émetteur et un récepteur. I 1 Emetteur V MD Récepteur I 2 V 1 V 2 I MC Figure 8 Modèle des deux boîtes. Les relations entre les courants et tensions du modèle des deux boîtes sont exprimées par les équations : V MC = V1 2 + V2 V MD = V 1 - V 2 I MC = I 1 + I 2 I MD = I1 2 - I2 4. Etude des Couplages La transformation des signaux issus des sources en signaux parasites pour les systèmes électroniques est réalisée selon 6 modes de couplage : - Couplage par impédance commune - Couplage conducteur / plan de masse - Couplage du champ électrique sur un conducteur - Couplage du champ magnétique sur une boucle - Diaphonie inductive - Diaphonie capacitive Ce découpage selon ces 6 modes permet de comprendre les mécanismes mis en jeu ainsi que les actions à entreprendre pour améliorer la CEM en fonction de la prédominance d'un mode sur les autres. Cependant le couplage des perturbations fait toujours intervenir plusieurs modes simultanés. 4
4.1. Couplage par impédance commune Système 1 Système 2 Perturabtions externes d.d.p. parasite masse I parasite Figure 9 Couplage par impédance commune. La d.d.p. parasite qui apparaît est créée en mode commun. 1. Diminuer l'impédance de masse. 2. Limiter les courants qui circulent entre les masses des différents appareils. 1. L'impédance de la masse est minimisée par l'utilisation de fils de liaisons larges et courts. En particulier, on veillera à utiliser des tresses métalliques larges pour relier les carcasses des appareils à la masse. L utilisation de circuits multicouches permet de diminuer l impédance de la masse des circuits imprimés. 2. Les courants perturbateurs sont réduits si l on réalise un maillage serré des masses. Les circuits particulièrement sensibles pourront avoir une masse dédiée. Exemple : la «masse informatique» Attention cependant aux boucles formées dès qu un ordinateur est connecté à une machine qui n est pas reliée à cette masse! Les courants qui circulent dans les masses des circuits imprimés peuvent être réduits par un bon découplage des alimentations. Penser à bien découpler l alimentation des circuits intégrés numériques, ces derniers consomment un pic de courant à chaque commutation de leurs portes logiques. Les courants parasites peuvent avoir moins d influence si on prend garde à répartir les fonctions sur les circuits imprimés : il faut alimenter les étages perturbateurs en premier, il faut séparer les masses des étages numériques et analogiques. 5
4.2. Couplage conducteur/plan de masse Circuit imprimé Plan de masse ddp à l origine des parasites C parasite I parasite Figure 10 Couplage conducteur/plan de masse Les courants parasites apparaissent en mode commun. 1. Minimiser les tensions sources de perturbation. 2. Réduire les capacités parasites entre les conducteurs et le plan de masse. 1. Limiter les variations temporelles des tensions (dv/dt) sur les conducteurs, boîtiers, etc. Par exemple, utiliser des signaux d horloge sous forme de trapèze. Mauvais Bon 2. Dans le cas d applications analogiques bas niveaux et basses fréquences on peut isoler le circuit de la masse pour limiter les courants parasites. C est le cas des capteurs bas niveaux isolés. Dans tous les autres cas, il ne faut pas isoler le circuit car on minimise ce type de couplage, mais on favorise alors fortement d autres couplages qui sont beaucoup plus gênants : isoler le circuit ne protège pas des perturbations hautes fréquences. Il est possible d augmenter l impédance du 0V de certains circuits ne devant pas être laissés flottants en reliant le 0V à la masse par une inductance L. Circuit Mais il apparaît des surtensions lorsqu il y a de forts courants parasites (en cas de décharges électrostatiques par exemple). De plus, l'amélioration apportée est limitée en hautes fréquences par la capacité parasite inter-spires de l'inductance. L C interspires Figure 10 Mise à la masse par liaison inductive 6
4.3. Diaphonie capacitive Fil source C parasite ddp à l origine des parasites I parasite Fil victime Figure 11 Diaphonie capacitive. 1. Minimiser les tensions sources de perturbation. 2. Minimiser la capacité entre les fils. 3. Favoriser l écoulement des courants parasites. 1. Limiter les variations de tension sur les fils, dv/dt. 2. La capacité parasite peut être diminuée en éloignant les fils pollueurs des fils sensibles, éviter les fils parallèles. Utiliser des écrans entre les conducteurs, des effets réducteurs. La répartition des conducteurs dans les câbles en nappe doit tenir compte de la nature des signaux : il faut intercaler des fils de masse entre les fils d horloge et les fils bas niveaux, il faut regrouper les fils numériques, les fils analogiques. 3. Les courants induits s écoulent plus facilement à la masse lorsque l impédance terminale des conducteurs est faible : les liaisons à basse impédance sont moins sensibles à la diaphonie capacitive. 4.4. Diaphonie inductive Courant à l origine des parasites Mutuelle M ddp parasite induite Plan de masse Figure 12 Diaphonie inductive. 1. Limiter les courants sources de perturbations. 2. Diminuer la mutuelle entre les fils. 3. Minimiser la valeur de la tension induite. 7
1. Limiter les variations de courant dans les fils, di/dt : Bien découpler les alimentations en entrée de carte pour éviter les pics de courants sur les lignes d alimentation. Faire attention au choix du type de diode dans les hacheurs, elles peuvent induire de forts pics de courants lors du blocage. 2. Diminuer la mutuelle en éloignant les conducteurs polluants et les conducteurs sensibles. Câbler séparément les fils de puissance et les fils de commande. Choisir une bonne répartition des conducteurs dans les câbles en nappe tout en multipliant les conducteurs à 0 V. Utiliser des câbles coaxiaux. 3. Les courants induits sur le conducteur victime sont plus faibles si l impédance de la boucle formée par ce conducteur est élevée : Augmenter l'impédance terminale des liaisons. Les liaisons à haute impédance sont moins sensibles à la diaphonie inductive. 4.5. Couplage du champ E sur les conducteurs Champ Ε Courants parasites Figure 13 Couplage champ Ε sur conducteur. 1. Diminuer les champs perturbateurs. 2. Diminuer l'effet d'antenne. 1. Utiliser des blindages. Utiliser des plans de masse : le champ qui s'y réfléchit, a un déphasage de 180 et interfère avec le champ incident. 2. Orienter les conducteurs en fonction de la polarisation des champs incidents. Diminuer la longueur des pistes sensibles. Champ incident Ε i Plan de masse Ε i + Ε r Champ réfléchit Ε r Figure 13 Réduction du champ par un plan de masse. 8
4.6. Couplage du champ H sur une boucle Champ Η ddp parasite Figure 14 Couplage champ Η à boucle. 1. Diminuer les champs perturbateurs. 2. Diminuer l'effet d'antenne. 1. Il est très difficile de réaliser un blindage des champs magnétiques basses fréquence car il faut alors utiliser des matériaux à forte valeur de perméabilité µ, ils sont d un coût très élevé. En haute fréquence, le blindage est obtenu avec des matériaux conducteurs où se développent des courants de Foucault qui créent un champ en opposition avec le champ incident. 2. Diminuer la surface de la boucle victime : Câbler les conducteurs par paires : le courant aller doit toujours être à coté du courant de retour du signal. Utiliser des fils d'accompagnement. Les paires torsadées permettent de diminuer la surface de la boucle entre 2 conducteurs en alternant le sens des boucles par rapport au champ incident. 4.7. Chemin de propagation Des solutions permettent de s opposer à la propagation des perturbations le long des fils, ces solutions peuvent agir soit en mode commun, soit en mode différentiel. Protection par ferrites : - en mode commun, la ferrite entoure les deux conducteurs + - + - - en mode différentiel, chaque ferrite n'entoure qu'un seul conducteur Protection du mode commun Protection du mode différentiel Figure 15 protection par ferrite. 9
Isolation du mode commun par optocoupleurs, liaisons optiques, câbles spéciaux (câbles gainés d un polymère conducteur) etc. Evacuation du mode commun par un transformateur à point milieu : I MC I MC Figure 16 Evacuation du mode commun par transformateur à point milieu. 10