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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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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)
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Alain REINEIX : Directeur de Recherche CNRS - Institut XLIM – Université de Limoges
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Etienne SICARD : Professeur - INSA de Toulouse
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Jesus ASPAS PUERTOLAS : Ingénieur spécialiste CEM - ASTRIUM SPACE TRANSPORTATION
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Gilles AKOUN : Ingénieur expert CEM - EADS IW
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 :
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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 ;
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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 ;
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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.
MOTS-CLÉS
Simulation numérique différences finies éléments finis plans d'expérience méthodes hybrides modèle IBIS
KEYWORDS
Numerical simulation | finite differences | finite elements | experimental design | hibrid methods | IBIS model
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Modifications éventuelles dans la déclinaison des contraintes
Bien évidemment, toute modification qui survient lors du cycle de conception peut avoir un impact sur la CEM du système complet, que ce soit au niveau structure, câblage, ou électronique (équipements). La gestion de ces modifications est indispensable pour garantir le bon fonctionnement de la solution globale.
Il y a deux types majeurs de modifications à apporter sur les modèles de simulation. Le premier type est lié à l'avancée du projet qui apporte une complexification progressive des modèles, c'est une phase de maturation. Le deuxième est normalement lié à la nécessité de lever un doute sur un point particulier qui a été soulevé, en général tardivement, c'est une phase d'étude ciblée.
C'est ainsi que le passage de la phase de conception préliminaire à la phase de conception détaillée demande un raffinement progressif des modèles (figure 11). Pendant les phases d'ingénierie d'un produit complexe, il n'existe pas à tout moment le même niveau d'information. Par rapport à l'analyse de la couche structure, au début nous disposons des plans ou bien des fichiers de CAO assez sommaires. Ceux-ci permettent déjà de se pencher sur le problème et d'obtenir des premières estimations. Au fur et à mesure que le projet industriel avance, le bureau d'études mécaniques et électriques sera en mesure de donner plus d'information sur les solutions retenues au niveau matériaux, géométries et sur l'installation des systèmes dans la structure. Il faut noter que des changements importants sur la CAO du système auront un grand impact sur la CEM, mais aussi sur la marche du projet, car une étape très coûteuse constitue le nettoyage de la CAO pour les différents besoins métier (mécanique, électromagnétisme, thermique,...).
Les boucles de simulation doivent donc être suffisamment souples pour pouvoir répondre aux modifications 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 configuration des modèles issus de ces étapes itératives devient impérative de façon à assurer la cohérence avec le dernier statut en termes de design.
En ce qui concerne les études ciblées qui répondent à des modifications tardives ou imprévues, elles ne mettent en général pas en cause la globalité...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KELLER (J.B.) - The geometrical theory of diffraction, - Proc. Symp. on Microwave Optics, Eaton Electronics Research Lab., McGill University, Montreal, Canada (1953).
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(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).
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(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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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La compatibilité électromagnétique dans les circuits intégrés
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Compatibilité électromagnétique. Notions fondamentales
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
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
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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