Présentation
RÉSUMÉ
Les cartes électroniques sont conçues avec une augmentation constante de niveau de complexité. Des effets sur la CEM et l’Intégrité du Signal (IS) sont constatés. Pour éviter ces conséquences indésirables, une méthodologie de simulation et de modélisation est nécessaire. Cet article propose une méthode de simulation et de modélisation en CEM conduite d’une carte électronique. Des modèles d’émission et de susceptibilité en CEM conduite sont considérés. Dans la dernière section de l’article, une étude marginale est décrite qui permet d’évaluer le niveau de risque de dysfonctionnement d’une carte.
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The PCBs are designed with increased complexity which causes EMC and signal integrity (SI) effects. To overcome such effects, simulation and modelling methodology must be developed. The EMC method depends on the elaboration of PCB equivalent circuits performed during the design phase. The present article develops a simulation and modelling methodology of mixed circuit inspired from a PCB. The simulation approach deals with the conducted EMC and SI. Conducted EMC emission and susceptibility are investigated. The last section of the article introduces a marginal study of the PCB operation risk.
Auteur(s)
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Blaise RAVELO : Ingénieur de l’ESPA, Université d’Antsiranana, Madagascar - Master et Docteur de l’Université de Bretagne Occidentale (UBO), - HDR de l’université Rouen - Professeur au NUIST, Nankin, Jiangsu, Chine
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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 aux 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 1 302] et des éléments de connaissance en matière de théorie des circuits et d’électromagnétisme. Les tests de CEM de conformité sont mis au point avec des méthodologies adaptées aux équipements électriques et à 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 demandent 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 des modèles en CEM. Tout d’abord, on peut noter les modèles systémiques pouvant s’appliquer aux circuits relativement complexes. Des modèles analytiques des émissions 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 conduite des composants sont également des solutions pour les fabricants des équipements. Pour les ingénieurs de conception, 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 jouent un rôle important dans 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.
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 à l’effet des interconnexions électroniques. Puis, la Sûreté de Fonctionnement (SdF) vis-à-vis des perturbations de CEM affectant le circuit sera estimée.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles et des notations utilisés.
MOTS-CLÉS
CEM simulation modélisation PCB émission conduite susceptibilité conduite intégrité du signal méthodologie d'analyse
KEYWORDS
EMC | simulation | modelling | PCB | conducted emission | conducted susceptibility | signal integrity | analysis methodology
VERSIONS
- Version courante de juin 2024 par Blaise RAVELO, Sébastien LALLÉCHÈRE
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Modèle d'émission en CEM conduite
Les modèles d’émission en CEM considérés dans cet article sont représentés par des circuits électriques équivalents. Les modèles sont composés des sources de tension ou courant introduisant les bruits et/ou les fluctuations et/ou les offsets transitoires perturbant le fonctionnement du circuit. Puis, nous tenons compte des comportements électriques équivalents de chaque composant accentuant la circulation du bruit en CEM. Les paragraphes suivants décrivent brièvement les paramètres pris en compte pour illustrer notre méthode.
3.1 Bruits en émissions
Par hypothèse, le scénario d’usage de notre circuit de test est assimilé à un fonctionnement dans un environnement résidentiel. Lors de son usage, le circuit est considéré sous une alimentation secteur avec une tension alternative d’amplitude V AC = 220 V et de fréquence 50 Hz. Ce secteur est à l’origine d’une perturbation en CEM conduite externe du circuit sous test. Le modèle CEM de ce bruit parasite se manifeste souvent sous forme de fluctuations. Le modèle schématique peut alors être représenté par une surtension quasi statique ΔV superposée à une source harmonique d’amplitude B et de fréquence f B définie par :
![](figures/ul-e3457niv10003/1/nv192701995461-web.gif)
De ce fait, la source principale s’écrit :
![](figures/ul-e3457niv10003/1/nv192701995462-web.gif)
D’autres perturbations externes peuvent aussi affecter le circuit, par exemple des bruits circulant à travers le plan de masse.
Du point de vue interne au circuit, nous avons également des sources de CEM conduites dues à la présence des composants actifs. Les trois circuits actifs hacheur, CI 555 et MCU 68000 génèrent indéniablement des bruits des activités électriques internes qui sont généralement connues avec les modèles ICEM ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MAURICE (O.) - Elements of theory for electromagnetic compatibility and systems. - Bookelis, Aix en Provence, France (2017).
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(2) - MAURICE (O.), REINEIX (A.), HOFFMANN (P.), PECQUEUX (B.), POULIGUEN (P.) - A formalism to compute the electromagnetic compatibility of complex networks. - Advances in Applied Science Research, vol. 2, no. 5, p. 439-448 (2011).
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(3) - 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).
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(4) - 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).
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(5) - 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...
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