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La compatibilit lectromagntique - CEM
Compatibilit lectroMagntique
CEM
Compatibilit lectroMagntique
CEM
Fabrice CAIGNETLAAS - [email protected]
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La compatibilit lectromagntique - CEM
1. Introduction - prsentation
2. Les dfaillances et leurs remdes
3. Les mthodes de mesures
4. La modlisation
5. Conclusion orientations
Plan CoursPlan Cours
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Chap. I: Introduction prsentation
Dfinitions
Le langage de la CEM
La CEM au niveau systme
Les dfaillances et leurs causes
Les principales lois mises en jeux
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La compatibilit lectromagntique - CEM
CEM : Compatibilit lectroMagntique (EMC)
La Compatibilit ElectroMagntique (CEM) est le fait, pour des quipements de supporter mutuellement leurs effets lectromagntiques.
Selon le dcret franais concernant la CEM, il s'agit de la capacit d'un dispositif, quipement ou systme, fonctionner de manire satisfaisante dans son environnement lectromagntique, sans introduire lui mme de perturbations lectromagntiques de nature crer des troubles susceptibles de nuire au bon fonctionnement des appareils ou des systmes situs dans son environnement.
Selon le dcret franais concernant la CEM, il s'agit de la capacit d'un dispositif, quipement ou systme, fonctionner de manire satisfaisante dans son environnement lectromagntique, sans introduire lui mme de perturbations lectromagntiques de nature crer des troubles susceptibles de nuire au bon fonctionnement des appareils ou des systmes situs dans son environnement.
Onde electro-magntique
DefinitionDefinition
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Dbut des annes 30 : dbut des communications radio
- Apparition des problmes dinterfrences radio (dus aux moteurs lectriques etc.)
- 1933 : Cration du CISPR (Comit International Spcial des Perturbations Radiolectriques) par la CEI (Commission lectrotechnique internationale) qui dveloppe des normes pour viter les interfrences.
- Durant la deuxime guerre mondiale, lutilisation dappareils lectroniques (radio, navigation, radar) sest acclre. Beaucoup de cas dinterfrences entre radios et systmes de navigation arienne.
- Le CISPR continue son activit en produisant plusieurs publications techniques prsentant des techniques de mesure des perturbations, et recommandant des valeurs limites dmissions. Plusieurs pays europens ont adopt ces valeurs limites recommandes par le CISPR.
Un peu dhistoireUn peu dhistoire
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- Due la sensibilit de plus en plus accrue des circuits lectroniques,lAmerican Federal Communications Commission (FCC) a publi en 1979 desnormes limitant les missions lectromagntiques de tous les appareilslectroniques. Les valeurs limites dfinies par la FCC correspondentdans lensemble celles recommandes par le CISPR.
- Laugmentation la plus significative des problmes dinterfrences estapparue avec linvention des composants lectroniques haute densit,tels que le transistor bipolaire dans les annes 1950, le circuit intgrdans les annes 1960, et les puces microprocesseur dans les annes1970. Par ailleurs, le spectre frquentiel utilis devient beaucoup pluslarge, ce pour subvenir aux besoins de plus en plus croissants detransmission dinformation.
Un peu dhistoireUn peu dhistoire
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Principe de base CEM : Compatibilit lectroMagntique
Champs magntiques et lectromagntiques
Tout conducteur travers par un courant lectrique rayonne un champ magntique H. Si un conducteur lectrique formant une boucle S est travers par le champ magntique H, toute variation de H va induire une f..m. dans la boucle entranant la circulation d'un courant de perturbation dans le circuit si cette boucle est ferme
La perturbation est proportionnelle la surface de boucle et la variation . Elle devient importante pour des phnomnes transitoires rapides ainsi que lorsque la surface de boucle est importante.
dtdH
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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i
Gnration dun champ
dv/dt
Phnomne dantenne
On gnre Champ Magntique On gnre une Onde Electromagntique
Principe de base CEM : Compatibilit lectroMagntique
Les paramtres mis en jeux sont dordre gomtrique et dpendent des frquences et des nergies
Loi de Biot et Savart
BEM
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
fc=
c= 300000 km/s, f = frquence en Hertz, = longueur donde en m
4=antenne
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iB
Couplage
MAGNETIQUE
vE
Couplage
ELECTRIQUE
On gnre un courant On gnre une tension
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Principe de base CEM : Compatibilit lectroMagntique
Les paramtres mis en jeux sont dordre gomtrique et dpendent des frquences et des nergiesAttention toute particulire aux variations de courants
Adaptation
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CEM : Compatibilit lectroMagntique (EMC)
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Susceptibilit mission
nergie lectromagntique venant de lextrieur
nergie lectromagntique mise
(Pollution lectromagntique)
Les deux concepts majeurs de la compatibilit lectromagntique du composant
Circuit IntgrSystmesEMI
(ElectroMagnetic Interferances)
EMI(ElectroMagnetic Interferances)
EMC(ElectroMagnetic Compatibility)
EMC(ElectroMagnetic Compatibility)
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
La Compatibilit ElectroMagntique (CEM) est le fait, pour des quipementsde supporter mutuellement leurs effets lectromagntiques
Ces dernires annes, plusieurs facteurs se sont conjugus pour augmenter l'importance de la CEM :
Perturbations de plus en plus importantes lies l'augmentation de la
tension et de l'intensit
circuits niveau d'nergie de plus en plus faible, donc de plus en plus
sensibles
Distances entre les circuits sensibles (souvent lectroniques) et les
circuits perturbateurs (souvent de puissance) qui se rduisent
Explosion du nombre des matriels de tlcommunication.
CEM : en rsum
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La compatibilit lectromagntique - CEM
CEM : en rsum
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Un systme lectromagntiquement compatible respecte 3 critres :
- Il ne produit aucune interfrence avec dautres systmes
- Il nest pas susceptible aux missions dautres systmes
- Il ne produit aucune interfrence avec lui-mme.
Dcomposition dun problme de CEMDcomposition dun problme de CEM
Couplage
Dgats
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La compatibilit lectromagntique - CEM
La notion de couplage lectromagntique
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Couplage avec la masse
Couplage avec dautres conducteurs
hSC r0= Approximation de la capacit donne par deux surfaces mtalliques en regard
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Mobile
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
La CEM est un problme de compatibilit au niveau systmeLa CEM est un problme de compatibilit au niveau systme
Personal entrainments
Systmes de scurit
missionmission
Composant
Equipments
Cartes
SusceptibilitSusceptibilit
Source
Source
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Onde lectromagntique
Faute systmeFaute matrielle
Faute logicielle
Perte de fonction
p
mixedCouplage par cbles et E/S
Susceptibilit des systmes lectroniques aux agressions lectromagntiques
Destruction
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Ces dernires annes, plusieurs facteurs se sont conjugus pour augmenter l'importance de la CEM : perturbations de plus en plus importantes lies l'augmentation de la tension et de l'intensit circuits niveau d'nergie de plus en plus faible, donc de plus en plus sensibles distances entre les circuits sensibles (souvent lectroniques) et les circuits perturbateurs (souvent de puissance) qui se rduisent explosion du nombre des matriels de tlcommunication (sources).
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Lvolution de la CEM
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0.7m, 5V 100,000 transistors, 50MHz 10mA/ns Peu de problmes
d'lectromagntisme
0.12m, 1V 200M transistors, 1-2GHz 5A/ns Emission parasite, susceptibilit aux
agressions
10 ans dvolution en Microlectronique 10 ans dvolution en Microlectronique
1992 2002
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : CEM dans un systme complexe
Exemple : CEM dans un systme complexe
Tir de IEEE Spectrum, Sept. 1996.
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : CEM dans un systme complexeExemple : CEM dans un systme complexeTir de IEEE Spectrum, Sept. 1996.
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : Les dcharges lectrostatiquesExemple : Les dcharges lectrostatiques
ElectroStatic discharge : ESD
kV
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Destruction
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : Sur-tensions et chocs de foudreExemple : Sur-tensions et chocs de foudre
Ce sont des perturbations impulsionnelles de forte amplitude.Leur origine peut tre naturelle dans le cas du choc de foudre, ou industrielle lors de la coupure de circuits inductifs ou de la manoeuvre d'appareillage de connexion en HT.
Dans le cas des surtensions de manoeuvre, les consquences sont peu nombreusespour le matriel lectrotechnique, mais elles peuvent entraner la destruction du matriellectronique si celui ci n'est pas protg.
Les chocs de foudre sont eux des perturbations brusques et trs importantes, ellesseront traites dans un dossier spcifique.
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : impulsion nuclaire lectromagntiqueExemple : impulsion nuclaire lectromagntique
Ce sont des perturbations damplitude extrmement forte.
Dans ce cas la plupart des quipements lectriques sont touchsdtruits
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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Sources permanentes (frquence fixe)
- Emetteurs radio
- Radars
- Bruits des moteurs lectriques
- Communications fixes et mobiles
- Ordinateurs, crans, imprimantes
- Redresseurs
- Etc.
Sources transitoires (large de bande de frquence)
- La foudre
- Impulsion nuclaire dorigine orageuse (NEMP : Nuclear Electromagnetic Pulse)
- Dfauts dans les lignes dnergie
- Interruption de courant (disjoncteurs)
- Dcharge lectrostatique
- Etc.
Quelles sont les sources principales de perturbation?Quelles sont les sources principales de perturbation?
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Sources permanentes large bande de frquence
- Systmes lectroniques
- Microprocesseurs
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Frquences et niveaux de bruit associs aux diffrentes sources de perturbations typiques
Frquences jusqu environ 300 MHzMoteurs collecteur(bruit de commutation)
Temps de monte de 1 10 nsUne dizaine de kV
Dchargelectrostatique
Transitoires rapides (temps de monte quelques ns, amplitude de quelques kV)
Appareils de coupuredu courant
Transitoires de type double-exponentielle, temps de monte de lordre de 1 ms, dure de quelques dizaines de ms, amplitude denviron 10 kV.Formes donde oscillatoires 100 kHz.Creux de tension (jusqu une dure de 100ms)Harmoniques jusqu environ 2 kHz
Rseau lectrique
CommentairesType de source
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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Sur une trs large bande de Frquence qq MHz a qq GhzTres faible qq 10mV, mais importante volution du di/dt
Circuits logiques(hautes performances)
Autour de qq mHzFaible qq 100mV
Circuits logiques(de bases)
Autour de 1-2GHz suivant les normes de communicationQuelques V
Radio-tlphonie
Spectre de bruit continu de 1 kHz 100 MHzAlimentation dcoupage
CommentairesType de source
Frquences et niveaux de bruit associs aux diffrentes sources de perturbations typiques
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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100mA
3 A
32 bit processor500MHz
62.5ns
2ns
16 bit processor16 MHz
I
time time
I
volution des pics de courants avec lintgration
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
Principe de base CEM : Illustration de linfluence des paramtres gomtriques
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Dcibel
Les grandeurs utilises en CEM sont souvent exprimes en quantit
logarithmique dB (dcibel).Pourquoi???
Ceci est d dune part au fait que les calculs deviennent plus simples : les produits se transforment en additions et les quotients en soustractions.Dans les problmes dinterfrences, il est souvent ncessaire decomparer des signaux de trs grande et de trs faible amplitudes. Le rapport des amplitudes se transforme alors en leur diffrence en dB.
Le dB reprsente un rapport logarithmique de deux valeurs. Il est donc sans unit.
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
dB = 20 log10 Vout/Vin
dBV = dcibel volt = 20 log10 V1V = 10-6V1 dBV = dcibel microvolt = 20 log10 V +120dB
En RF
1. Petites formulations
Dcibels
Le langageLe langage
Dcibel
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Voltage
Aux vues des grandes diffrences damplitudes des signaux use of dB (decibel) in EMC
On trouve : dBV, dBA.dBV = 20 log ( V)
dBA = 20 log ( A ) 0.1
10
1
100
0.01
Volt dBV
0.001
0.001
0.1
0.01
1
0.001
MilliVolt
dBV
0.0001
VdBV = 20 log (V/ 1V)
Mais aussi dBV
Unit spcifique
Le langageLe langage
1 dBV = dcibel microvolt = 20 log10 V +120dB
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La compatibilit lectromagntique - CEM
PdBmW = 10 log (P/ 1mW) = 10 log (P) + 30
The most common power unit is the dBmW (dB milli-Watt)
We can also have the equivalence between VdBVand PdBmW with P = V / Z :
1W
1MW
1KW
1GW
Power(Watt)
1mW
PuissancePuissance
1 mV = ___ dBV
1 W = ___ dBmW
0dBm in 50 = ___ dBV
Exercise: Specific units
Power(dBm)
1W
Le langageLe langage
Attention
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Unit spcifique
Les valeurs de rfrences communes dans la CEM
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Norme DECT GSM DCS UMTS
Frq 1880 900 1800 1900
P (W) 0.25 2/8 1 1
Porte Km 0.15 30 20 20
Canaux 20 2x25 2x75 ?
TFTS
1670
30dB
250
2x5
2x = de chaque ct
Unit spcifique : panorama de la tlphonie mobile
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
140 (dB)
120
100
80
60
40
20
3 MHz100m
30 MHz10m
300 MHz1m
3 GHz10 cm
30 GHz1 cm
300 GHz1 mm
TV VHF
Amateurs
Amateurs GSM
TV UHF
Radars militaires
Satellites
Radars mto
Four microonde Tl
page TV VHF
DECT
TFTS
Unit spcifique : panorama
Le langageLe langage
Frquence
Longueur donde
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La compatibilit lectromagntique - CEM
1 mV = ___ dBV
1 W = ___ dBmW
0dBm in 50 W = ___ dBV
Unit spcifique : exercices
Le langageLe langage
Sous 50 , 1V donne une puissance de 137dB, soit 107dBm (P = V2/R)
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La compatibilit lectromagntique - CEM
- Les perturbations harmoniques sont situes dans un spectre basse frquence stendant jusqu quelques kHz.
- Les perturbations hautes frquences se situent dans un spectre stendant jusqu plusieurs GHz.
Harmoniques : notions de frquence
HzkHz MHz GHz
Le langageLe langage
hautes frquencesbases frquences
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Rappel du thorme de Fourier (Joseph)mathmaticien franais n Auxerre (1768-1830).
Le langageLe langage
Harmoniques : la transforme de Fourier
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Le langageLe langage
Harmoniques : la transforme de Fourier
Y0Y1
Y5
Y9
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Harmoniques
Exemple dapplication du thorme de Fourier sur un signal carr
Notion de taux de distorsion
Reprsentation temporelleReprsentation temporelle
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Harmoniques
Exemple dapplication du thorme de Fourier sur un signal carr
Notion de taux de distorsion
Reprsentation spectraleReprsentation spectrale
Le langageLe langage
Harmonix
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Domaine temporel
Volt
Time
Domaine FrquentielFourier transform (FFT)
Freq (Log)
dB
Invert Fourier transform (TFFT)
Principes
Le langageLe langage
Harmoniques et la CEM : reprsentation frquentielle
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Frequency (Log)
dBV
Tolerate high energy at low frequency (like 10MHz)
Tolerate only very low energy in critical bands (like 2GHz)
Users specification
Pourquoi le domaine des frquences et si important?
Le langageLe langage
Mise en place dun systme devant rsister un certain niveau de Pollution lectromagntique.
Too high energy, not compatible with the specifications
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Transformation de Fourier
Small sinusoidal wave above noise
Seems to be only noise
Pourquoi le domaine des frquences et si important?
Le langageLe langage
Domaine temporel Domaine Frquentiel
Mise en vidence de frquences extraire
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Formes donde typiques et leur spectre frquentiel
Formes donde typiques et leur spectre frquentiel
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple : Pics de courant internes dans un circuits intgr(commutation dun inverseur CMOS)
FourierAmplitude (A)
Temps
Clock 1GHz, rise time 50ps1ns
50ps
EnergieImportante 30GHz!
Pourquoi le domaine des frquences et si important?
Le langageLe langage
Gnration de tres nombreusesharmoniques
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Le langageLe langage
Harmoniques : Principeaux gnrateurs dharmoniques
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La compatibilit lectromagntique - CEM
0
19 38
30 Hz10000Km
FrquenceLongueur donde
300 Hz1000Km
3 KHz100Km
30KHz10Km
Dnomination des plages de frquence
Audiofrquences BassesFrquences
Energie lectrique Chauffage induction
Tlcommunications
Applications principales
Tlphonie par cbleTlphonie ondes longues
Le langageLe langage
Harmoniques : Panorama
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300KHz1Km
3 MHz100m
30 MHz10m
300 MHz1m
3 GHz10 cm
30 GHz1 cm
Moyennes
HautesHF
Trs HautesVHF
Ultra HautesUHF
SuperHautesSHF
Extrm.HautesxHF
SOS
Tlphonie ondes courtes
Radio AM
FM
Tlvision Radar
GSM
300 GHz1 mm
microonde
Terribl.HautesTHF
Le langageLe langage
Harmoniques : Panorama (suite)
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La compatibilit lectromagntique - CEM
30 MHz10m
300 MHz1m
3 GHz10 cm
30 GHz1 cm
Very highVHF
Ultra highUHF
SuperhighSHF
Extrem. highxHF
FM
Televison Radar
300 GHz1 mm
Tremend.highTHF
1 2 4 8 12 30GHz
L S C X K
Infra rouge
Visible (0.7m)
Microwave
BlueTooth
Local Wireless
3THz100m
Microwaves
Quelles sont les gammes de frquence critiques ?
Le langageLe langage
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Spcification dun systme : Niveau de perturbation
La CEM dans le systmeLa CEM dans le systme
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Susceptibilitmission%100
Niveau de Perturbationen dB
Limite dmission Limite dimmunitNiveau de compatibilit
Probabilit de gnrer ce niveau de perturbation
Probabilit dtre gn ce niveau de perturbation
Marge de compatibilit
Marge dmission
Marge dimmunit
Notions de niveaux critiques ?
La CEM dans le systmeLa CEM dans le systme
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Specification for board emission
Emission Parasite (dBV)
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 10 100 1000f (MHz)
Emission mesure
EMC compatible
quipement
Board
On reprsente le niveau dnergie mise par un systme en fonction de la frquence
mission
La CEM dans le systmeLa CEM dans le systme
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Niveau de Susceptibilit
(dBmA)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 10 100 1000f (MHz)
Specification for board susceptibility
Current injection limit
Measured susceptibility
A very low energy produces a fault
On reprsente lnergie susceptible de perturber un systme en fonction de la frquence
SusceptibilitLa CEM dans le systmeLa CEM dans le systme
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Susceptibility level (dBmA)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 10 100 1000f (MHz)
Somme des perturbations
Susceptibility level
High risk of interference
Safe interference
marginUnsafe margin
Principe pour garantir limmunit dun systme
missionSusceptibilit &
La CEM dans le systmeLa CEM dans le systme
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La compatibilit lectromagntique - CEM
0 50 100 Frquence (GHz)
0.1
1.0
10
100
0.5
5.0
50
Attnuation (dB)
Absorption 60 Ghz
Absorption 120 Ghz
Autre dnomination : Niveau dabsorption
Le langageLe langage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
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La compatibilit lectromagntique - CEM
CARACTERISTIQUES DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUESCARACTERISTIQUES DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES
Une perturbation lectromagntique se traduit par l'apparition d'un signal lectriqueindsirable venant s'ajouter au signal utile. C'est ce signal importun qui peut dgrader le fonctionnement d'un quipement.
Les sources des missions lectromagntiques peuvent tre d'origine :
Naturelle : atmosphriques, galactiques, solaires, bruit thermique terrestre, ...
Artificielle. Parmi ces sources, certaines sont :
intentionnelles : metteurs radiolectriques, fours micro-ondes, fours induction, ...
non intentionnelles : systmes d'allumage des moteurs explosion, tous les systmes d'enclenchement et de coupure d'un signal lectrique, lampes dcharge, horloge des systmes informatiques, ...
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
V
t
Les consquences de ces variations restent faibles, la tension ne variant que dans la limite des 10%. Exemple : Sur certains rcepteurs, comme l'clairage, cela peut provoquer du flicker (papillotement).
Fluctuations de tensionFluctuations de tension
Les dfaillancesLes dfaillances
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Creux de tension et coupures brvesCreux de tension et coupures brves
Les dfaillancesLes dfaillances
Il s'agit d'une diminution de la tension comprise entre 10% et 100%, pendant unedure allant de 10 ms (une demi priode) 1 mn. Elles sont provoques par la mise sous tension de gros rcepteurs, de condensateurs, par la proximit d'un court circuit sur un circuit voisin, par la coupure associe au renclenchement automatique d'un dispositif de protection.Les consquences vont du dcrochage des moteurs asynchrones, l'initialisationdes systmes automatiques voire la perte de l'alimentation.
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Variation de frquenceVariation de frquence
Les dfaillancesLes dfaillances
Composante continue sur le rseauComposante continue sur le rseau
Dsquilibre de phases Dsquilibre de phases
C'est essentiellement la transmission de courants porteurs utiliss par :les distributeurs d'nergie pour vhiculer les ordres tarifairesles composants de commande distance (CAD)les systmes de communication interne de type interphone sur rseau
Tous ces signaux peuvent perturber certains composants trs sensiblesnotamment aux harmoniques.
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Les effets termeLes effets terme
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La compatibilit lectromagntique - CEM
iB
CouplageMAGNETIQUE
vE
CouplageELECTRIQUE
On gnre un courant parasite caractris par :
- amplitude- frquence
On gnre une tension parasite caractris par :
- amplitude- frquence
Principe de base CEM : Compatibilit lectroMagntique
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
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La compatibilit lectromagntique - CEM
MODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONSMODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONS
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
Couplage par rayonnement
Couplage par conduction
Il existe deux mode de propagation des perturbations lectromagntiquesCouplage par rayonnement Couplage par conduction (la perturbation se propage le long des cables) :
Mode communMode diffrentiel
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Mode Conduit Mode rayonn
supplier
Les alimentations (VDD/VSS) propagent les parasites
Les ondes EM se propagent travers lair
Les modes de couplage :
1GHz
Les dfaillances et leurs causesLes dfaillances et leurs causes
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Mode diffrentiel (mode symtrique)Mode diffrentiel (mode symtrique)
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
cest le mode de fonctionnement de tous les signaux lectroniques et des alimentations
La propagation s'effectue en mode diffrentiel lorsque la perturbation est transmise un seul des conducteurs actifs. Le courant de mode diffrentiel se propage sur l'un des conducteurs, passe traversl'quipement et revient par un autre conducteur.
Impdance de mode commun
ddp
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Mode commun (ou asymtrie)Mode commun (ou asymtrie)
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
La propagation s'effectue en mode commun lorsque la perturbation est transmise l'ensemble des conducteurs actifs. Le courant de mode commun se propage sur tous les conducteurs dans le mme sens et revient par la masse travers les capacits parasites
Ils peuvent tre induits par un champ externe dans la boucle forme par le cble, le plan de terre et les impdances de connexion des quipements et la terre.
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Couplage par rayonnement (diaphonie Crosstalk)Couplage par rayonnement (diaphonie Crosstalk)
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
les perturbations sont vhicules par le milieu ambiant (air). La diaphoniepourra tre :
inductivecapacitive
les perturbations sont vhicules par le milieu ambiant (air). La diaphoniepourra tre :
inductivecapacitive
La description du champ lectromagntique gnr par un systme estsouvent difficile car chaque systme contient en gnral plusieurs sources qui contribuent au rayonnement. :
Il peut y avoir un certain nombre de (petits) boucles de courant, dontchacun peut tre assimil un diple magntique.
ll peut y avoir une contribution importante des courants en mode commun circulant dans les cbles de connexion. Ces derniers peuvent treassimils des diples lectriques.
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Couplage inductifCouplage inductif
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
Une variation de courant dans un conducteur cre un champ magntique qui rayonne autour de ceconducteur. Un circuit voisin peutalors voir apparatre une tension induite perturbatrice si la variation de courant est importante.
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Couplage capacitifCouplage capacitif
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
Il existe toujours une capacit non nulle entre deux lmentsconducteurs. Toute diffrence de potentiel entre ces deux lmentsva gnrer la circulation d'un courant lectrique au travers de cette capacit parasite. Ce courant parasite sera d'autant plus levque la tension et la frquence de ce courant sont leves.
Couplage avec la masse
Couplage avec dautres conducteurs
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La compatibilit lectromagntique - CEM
La valeur de la capacitparasite Cp sera :
proportionnelle la surface S en regard des deux circuits
inversement proportionnelle la distance h entre les deuxcircuits.
Couplage capacitifCouplage capacitif
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
Si ces capacits parasites sont ngligeables en 50 Hz, elles ont une importance considrable en HF o elles sont l'origine de dysfonctionnements
Si ces capacits parasites sont ngligeables en 50 Hz, elles ont une importance considrable en HF o elles sont l'origine de dysfonctionnements
hSC r0=
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Modle en HF & BFModle en HF
Mode de couplage en resum :Mode de couplage en resum :
Les principales lois mises en jeuLes principales lois mises en jeu
SourceSource
ChampE & H
ChampE & H
Couplage capacitif
Couplage capacitif
Couplage inductif
Couplage inductif
Couplage par rayonnement
Couplage par rayonnement
Couplage par conduction
Couplage par conduction
champ conduction
Modle en BF
Courants et tensions induitsCourants et tensions induits
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COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNECOUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE
Un couplage par impdance commune se produit lorsque deux mailles ont en commun un tronon dont l'impdance ne peut tre considre comme ngligeable
Le courant circulant dans la maille M1 provoque une diffrence de potentiel dans la maille M2
Eviter les tronons communsOn relie alors les masses en un seul point.Diminuer les impdances, par exemple en largissant les pistes.
Eviter les tronons communsOn relie alors les masses en un seul point.Diminuer les impdances, par exemple en largissant les pistes.
RemdesRemdes
Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNECOUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE
ExempleExemple
Exercice : Si l'amplificateur a un gain de 1000 et que la rsistance de charge fait 50 Ohms, quelle rsistance de la piste en rouge rendrait l'amplificateur instable ?
la piste qui apparat en rouge est commune la maille d'entre et celle qui alimente la charge partir de l'alimentation.
Le courant de sortie Is va donc rinjecter une tension l'entre de l'amplificateur.
un condensateur de dcouplage pour les signaux variablesun condensateur de dcouplage pour les signaux variablesSolutionSolution
Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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COUPLAGE CAPACITIFCOUPLAGE CAPACITIF
Eviter les tronons communs On relie alors les masses en un seul point. Diminuer les impdances, par exemple en largissant les pistes.
Eviter les tronons communs On relie alors les masses en un seul point. Diminuer les impdances, par exemple en largissant les pistes.
RemdesRemdes
Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
Capacit parasite liant deux lignes dun circuit imprim trop proches
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CAlageLes dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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CAlageLes dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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CAlageLes dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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Les dfaillances les remdesLes dfaillances les remdes
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La modlisation lectromagntiqueLa modlisation lectromagntique
Mthodologie de conception
Conception PCBPrototype PCB Mesure CEM
frequenc
dB
peaks
Dtection des problmes en fin de cycle de conception
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DESIGN
Architectural Design
Design EntryDesign Architect
FABRICATION
Version n
EMC Measurements
GONO GO
+ 6 mo
nths
+ $$$$
$$$$
Compliance ?
Version n
EMC compliant
System on chip specification
La modlisation lectromagntiqueLa modlisation lectromagntique
Mthodologie de conception
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La modlisation lectromagntiqueLa modlisation lectromagntique
Optimisation des mthodologie de conception orient CEM
DESIGN
FABRICATION
EMC compliant
EMC SimulationsCompliance ?
GO
System on chip specification
Architectural DesignArchitecture
GuidelinesDesign Entry
Design Architect
EMC DesignGuidelines
EMC Models
Tools
Simulations(SPICE)
Simulations(SPICE)
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PCB de
IBIS et modle curIBIS Model
Prdiction optimiste de lmission du systme Bonne prdiction de
lmission du systme
La modlisation lectromagntiqueLa modlisation lectromagntique
Optimisation des mthodologie de conception orient CEM
PCB de test
Simulation
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Loi dohm.
Aucun conducteur ntant parfait, ils possdent une rsistance interne
W
e L
1 carr
W
eeWW
SlR ===
Al = 0.0277 .m rsistivit de laluminiumCu = 0.0172 .m rsistivit du cuivree = paisseur du mtal (m).
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Loi dohm : leffet de peau.
Le conducteur est soumis une ddp de frquence trs leve (souvent suprieur au GHz )
les lectrons empruntent prfrentiellement la priphrie duconducteur modifiant ainsi sa rsistance
=> section efficace de conducteur plus faible, donc une rsistance effective plus leve.
J J ez
= 0 Expression de la densit de courant dans un conducteur
o J0 est l'amplitude relle du courant la surface, o z est la profondeur dans le conducteur (m).o est l'paisseur de peau (m)
paisseur de peau :
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Capacit dune interconnexion : capacit plane
Premire approximation de la valeur de la capacit dun conducteur plan
h
w
ground
e
rhWC r = 0
0 = 88.5 fF/cmr (SiO2) = 3.9
Simulation lectromagntique
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Capacit dune interconnexion : capacit plane
Prise en compte des effets de bord : cas plus raliste.
Attention ils est parfois inutile dutiliser cette formulationAttention ils est parfois inutile dutiliser cette formulation
W
ht
t/4 t/4
+++
+
=22221ln
220
th
th
thh
tWC r
La piste de section rectangulaire est remplace par un ovale composdun rectangle et de deux demi cercles : cas raliste des pistes
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Capacit dune interconnexion : capacit plane
Prise en compte des effets de bord : cas simplifier
h
e
w
CS CFCF
C11 = CS+2CF : capacit totale du conducteur vers la masse par unit de longueur (fF/mm).
+
+=
425.011.0
011 475.1443.113.1 he
hW
hWC r
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Capacit dune interconnexion : capacit de couplage
h
e
w d
Dfinition gomtrique
CSCF
C12
CS CF
Dfinition des paramtresdes interconnexions
Sakurai [SAKU83] propose une valuation de la capacit de couplage C12
38.132.008.1
012 43.082.1
+
+
=
hd
hW
heC r
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W1
W2C12
CcCs
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Capacit dune interconnexion : capacit de croisement
Formulation propose par Nouet (97) pour les Circuits intgrs
( ) ( ) CSX CWWCWWCC 42 211221 +++=Cx = capacit totale de croisementCs = capacit de couplage inter niveau par unit de surface (F28)C12 = capacit linique de bord (solveur 2D)Cc = capacit unitaire de coin (solveur 3D)W1 = largeur du conducteur 1W2 = largeur du conducteur 2
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Les effets inductifs
Inductance quivalente dun fil seul
=dhL r
4ln21
0
L : inductance du fil en H/m0=1.257e-6 H/m et r=1 pour l'aird= diamtre du fil (m)h = hauteur du fil par rapport au plan de masse (m).
d
h
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h
e
w
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Les effets inductifs
Inductance quivalente dun fil conducteur section rectangulaire (piste de PCB, piste de CI)
+=h
WW
hL r 48ln
21
011
L11 = inductance du conducteur (H/m)0=1.257e-6 H/et r=1 lairW = largeur du mtalh = hauteur par rapport au substrat.
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Les effets inductifs : couplage par impdance commune
effet d un courant circulant dans un conducteur d impdance non nulle
Lois empiriques des conducteurs classiques avec F en MHz plan de cuivre d paisseur e en mm
fil cylindrique de diamtre d en mm et de longueur L en m
piste de cuivre de 35m d paisseur, delongueur L en mm et de largeur W en mm
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
La modlisation notion de champ lointain
Les champs lectrique et magntique s entretiennent mutuellement mais partir de de la source, il y a quilibre nergtique
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Exemple dimpdances quivalentes :
d
h
Fil au dessus dun plan de masse
=dhZ ln
21
0
=dh
Cln
2
=dhL ln
2
=dhZ 4ln
21
0
=dh
C4ln
2
=dhL 4ln
2
si d
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Schmas lectrique quivalent
Cox
R L CoxR
Choix du modles dune interconnexion seule
Les critres de choix : les valeurs des R, L,et CLes critres de choix : les valeurs des R, L,et C
Modle C Modle RC Modle RLC
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Schmas lectrique quivalent
Choix du modles pour deux interconnexions couples
CG2CC
CG2
R2
Rl
CC/2CC/2
CG2/2 CG2/2
CG1/2CG1/2
R2
Rl
CC/2CC/2
CG2/2
CG2/2
CG1/2CG1/2
Ll
L2
KM
(a) (b)
(c)
Modle C Modle RC
Modle RLC
Le choix du modle de simulation influe sur la complexit.Et donc sur les temps de simulation
Le choix du modle de simulation influe sur la complexit.Et donc sur les temps de simulation
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RL
CL/2 CL/2
RL/2
CL/3 CL/3 CL/3
RL/2
1 cellule 2 cellules
Ou
A B
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Schmas lectrique quivalent
Choix dun modles distribu ou non???
Un modle distribu permet davoir une meilleur prcision sur lvaluation des parasites
Un modle distribu permet davoir une meilleur prcision sur lvaluation des parasites
RL/n
CL/2n
RL/n
CL/2n CL/2n CL/2n
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La compatibilit lectromagntique - CEM
R LCox
RSi
R
RSi
L
Cox
LSi
R L Cox
GSi CSi
(a) Mode "Quasi-TEM" (b) Mode "Effet de peau" (c) Mode "Onde lente"
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
La modlisation suivant les frquences considres
La modlisation par circuit quivalent dpend des frquences mises en jeux, et donc des modes de propagation, ou des phnomnes mises en jeux.
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
La modlisation : utilisation de logiciels dextraction de paramtres
Ces logiciels sont des solvers lectromagntiques, resolvant les quations de Maxwell. On trouve des solveur dis
- ondes lentes (extraction de RL et C equivalent)- hyperfrquence (Z quivalent)
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Simulation : dlai de propagation sur une ligne seule (latence)
Dbut Fin
Dbut de ligne
A
B
90%C
D
Fin de ligne
0.0 0.2 0.4
Temps (ns)
Tension (V)
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Simulation : dlai de propagation sur une ligne seule (latence, bande passante)
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Simulation : le couplage diaphonique
L =6 mm
CC
Agresseur
Victime
h
e
wLTyp
d
CSCS
CC
R R
Signal Agres seur
Victimeperturbe.
t
V
Temps (ns)
Tension (V)
VDD/2
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La compatibilit lectromagntique - CEM
TempsVss
Agresseur
Victime
VddTension
Temps
Vdd
Vss
Agresseur
Victime
Tension
Temps
Vdd
Vss
Agresseur
VictimeTension
Temps
Vdd
VssAgresseur
Victime
Tension
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Simulation : le couplage diaphonique : commutation simultane
Commutation sans Crosstalk
Victime perturbe
t90%
Dlai induit par couplage
tXT
Modification des dlais de rponseModification des dlais de rponse
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Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Rsum de la modlisation des conducteurs
Tout conducteur dans un dilectrique rpond aux lois de llectromagntisme statique.
Pb : comment modliser le courant circulant dans les conducteur?Pb : comment modliser le courant circulant dans les conducteur?
=rr
rrr r.dE)rV(
=S
.dSjIr
Modlisation = mise en place dun schma lectrique quivalentModlisation = mise en place dun schma lectrique quivalent
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Pull Up
VDD
VSS
Pull Down
IDD (0.5mA)
1
0
Pull Up
VDD
VSS
Pull Down
1
0Output capa
Output capaISS
(0.5mA)
mecanisme basic du courrant de coeur : Exemple de linverseur CMOS
Vin
Origine de lmission : Les circulations de courants
La circulation de courrant se fait par charge et dcharge de la capacit au travers des alimentations.
La circulation de courrant se fait par charge et dcharge de la capacit au travers des alimentations.
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Pull Up
VDD
VSS
Pull Down
IDD (0.5mA)
1
0
Pull Up
VDD
VSS
Pull Down
1
0Output capa
Output capaISS
(0.5mA)
Mcanisme basic : exemple de linverseur CMOS
Vin
Origine de lmission : Les circulations de courants
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
0.7m, 5V 100,000 transistors, 50MHz 10mA/ns Peu de problmes
d'lectromagntisme
0.12m, 1V 200M transistors, 1-2GHz 5A/ns Emission parasite, susceptibilit aux
agressions
10 ans dvolution en Microlectronique 10 ans dvolution en Microlectronique
1992 2002
Introduction - prsentationIntroduction - prsentation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Stronger di/dtStronger di/dt
Scaled current
Voltage supply decreases Current amplitude keeps
constant Faster switching
Increased EMC problems
Increased EMC problems
Time
di/dtVoltage
Current
di/dt
Voltage & Current
Origine de lmission : Les circulations de courants
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Augmentation des courants avec les gnrations technologies
100mA
3 A
32 bit processor500MHz
62.5ns
2ns
16 bit processor16 MHz
I
time time
I
Origine de lmission : Les circulations de courants
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
150 MHz oscillation
time (ns)
Measurement)
Power supplyfluctuation
BVDD
VSS
VSS
Bonding, Lead
A BVDD
Bonding, Lead
i
1Volt
DIL 28
Objectif : modliser le bruit li au courant sur les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modliser le bruit li au botier
Lead = 20mm
CHIP50mA in 1ns
VDD=3.3V
VSS=0.0
Lead = 20mm mm/nHL 1
tiLV
=
Objectif : modliser le bruit li au courant sur les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
10mm (10nH)
CHIP
VDD
VSS
100mA in 1ns
V=L i/ t
1V loss
time (ns)
Supply (V)
Objectif : modliser le bruit li au courant sur les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Exemple de limportance des circulations de courant dans les botier
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Far from ground,high inductance
large loops
Groundplane
IC
Supplyleads
Close from ground,small inductance
small loops
Objectif : modliser le bruit li au courant sur les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Mthode de rduction des fluctuation dalimentation : rduire les boucles de courant, et donc rduire le L quivalent
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La compatibilit lectromagntique - CEM
10 100 1000
Frequency (MHz)
20
40
60
Energy (dB) 1nF
250pF
I
5nH
C
5nH
1time
I (A)
100mA125ns
Objectif : modliser le bruit li au courant sur les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Mthode de rduction des fluctuation dalimentation : introduire une capacit de dcouplage
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La compatibilit lectromagntique - CEM
[Component] ST74FCT16244 [Manufacturer] ST[Package]| variable typ min max|R_pkg 800m 500m L_pkg 6nH 5.5nH C_pkg 8pF 4pF[Pin] signal modelR_pin L_pin C_pin1 /1OE in12 1Y1 out13 1Y2 out14 GND GND5 1Y3 out16 1Y4 out1
[Component] ST74FCT16244 [Manufacturer] ST[Package]| variable typ min max|R_pkg 800m 500m L_pkg 6nH 5.5nH C_pkg 8pF 4pF[Pin] signal modelR_pin L_pin C_pin1 /1OE in12 1Y1 out13 1Y2 out14 GND GND5 1Y3 out16 1Y4 out1
Input Buffer I/O specification(Modle IBIS)
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Macro-modle dun Circuit intgr pour le botier
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Dual in Line(DIL)
64 pins L=2-15nH C=1-10pF
Shrink dualin line(SDIL)
64 pins L=1-10nH C=1-10pF
SmallOutlinepackage(SOP)
64 pins L=1-7nH C=1-7pF
Quad FlatPack (QFP)
400 pins L=3-7nH C=2-5pF
L_pkg = 1nH/mm, C_pkg = 0.2pF/mm
R,L,C estimationMacro-modle dun Circuit intgr pour le botier
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Ball gateArray(BGA)
800 pins L=0.5-10nH C=1-10pF
Fine PitchBall gateArray(FBGA)
1500pins
L=0.5-10nH C=1-20pF
Mold ChipScalepackage(MCSP)
1500pins
L=0.5-5nH C=1-15pF
Ball Gate Array
R,L,C estimation
Macro-modle dun Circuit intgr pour le botier
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Ib
Rvdd
Cd
Lvdd
Rvss Lvss
Cb
VDD
VSS
-ICEM model promoted by UTE (IEC 62014-3)-Available in IBIS website www.eia.org/IBIS
Limit of the die
Macro-modle dun Circuit intgr pour les alimentations
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Modle de courant
Modle de botier
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La compatibilit lectromagntique - CEM
[Component] ST74FCT16244 [Manufacturer] ST[Package]| variable typ min max|R_pkg 800m 500m L_pkg 6nH 5.5nH C_pkg 8pF 4pF[Pin] signal modelR_pin L_pin C_pin1 /1OE in12 1Y1 out13 1Y2 out14 GND GND5 1Y3 out16 1Y4 out1
[Component] ST74FCT16244 [Manufacturer] ST[Package]| variable typ min max|R_pkg 800m 500m L_pkg 6nH 5.5nH C_pkg 8pF 4pF[Pin] signal modelR_pin L_pin C_pin1 /1OE in12 1Y1 out13 1Y2 out14 GND GND5 1Y3 out16 1Y4 out1
Input Buffer I/O specification(Modle IBIS)
Ibis
Macro-modle dun Circuit intgr dans le cas des entres et sorties
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : ModlisationAccessoires Vlo
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Utilisation des donnes standard de IBIS
Zsub: couplage rsistif de susbtratCio : decouplage du rseau dalimentation des E/SI/O: dcrits dans IBIS (http://www.eda.org/ibis)
Ib
Rvdd
Core VDD
Core VSS
Cd
Lvdd
Rvss Lvss
Cb I/O
ZsubI/O VSS
I/O VDD
Cio
Macro-modle dun Circuit intgr : schma quivalent complet
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Physical Transistor level (Spice)
Gate level Activity (VHDL)
Interpolated Transistor level
(Powermill)
Huge simulationHuge simulation
Limited to analog Limited to analog blocksblocks
Difficult adaptation to Difficult adaptation to usual toolsusual tools
Limited to 1 M devicesLimited to 1 M devices
Simple, not limited Simple, not limited
Fast & accurate Fast & accurate
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120 140time (ns)
Equivalent Current
generator
I(mA)
Modliser lactivit du cur
Macro-modle dun Circuit Intgr : pourquoi?
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 10 100 1000f (MHz)
d
B
V
EMC model
Measurements
Conducted Mode on VSS alim
DUT
1To receiver
Exemple : comparaison mesure/simulation
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Validation en mode conduit des I/O
Le spectre est essentiellement li au cur.Les E/S gnrent une signature haute frquence (>300MHz)
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
3 modes de couplage identifis conduit:
Alimentations
Entres/sorties rayonn: Direct
Origine principale commutation des
portes logiques (30 Ampres en 500ps)
Rsum de la modlisation dun CI
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Exemple complet de la modlisation dun CI
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
Cas dune alimentation spare
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La compatibilit lectromagntique - CEM
PCB model
L_pcb
L_pcb
R_pcb
R_pcb
C_pcb
C_pcb
Packagemodel (Ibis)
L_pkg
L_pkg
R_pkg
R_pkg
C_pkg
C_pkg
IC model(Icem)
Cd
I (t)VDD
1
49
50 Measure
Modlisation complte dun CI connect sur un PCB
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Lmission augmente avec les rductions technologiques
10dB
30dB
50dB
70dB
1.0m 0.7m 0.35m
1995 1997 1999 2001
Microcontrolers
0.18m90dB
More currentBigger circuitsFaster clocks
Emission reduction
techniques
20 dB
Research
Exemple sur un Microcontrleur 8 bits
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
5.0
3.3
2.5
1.5
0.5 0.35 0.18 90nm 70nm
Alimentation du cur
Alimentation des I/O
Technology(m)
0.7
plus I/Os, moins de marge de bruit
Supply (V)
CEM et nombre dentres et sorties (I/O)
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Utilisation des Quadriples pour la modlisation CEM est largement utilise.
Rappel :
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Utilisation des Quadriples pour la modlisation CEM est largement utilise.
Modle dmission
Onde : - conduit - rayonn
Modle de la victime : - charge
Reprsentation du milieu de propagation
- Ligne- Air-
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Reprsentation de la matrice Z (impdance quivalente)
Z12 = Z21= Z3Z22 = Z2+ Z3Z11 = Z1+ Z3
Z3 = Z12Z2 = (Z22-Z12)Z1 = (Z11-Z12)
(circuit ouvert)
F.CAIGNET
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Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Quadriple aliment par un schma quivalent de Thvenin
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Quadriple aliment par un schma quivalent de Norton
Introduction dadmittance quivalent
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Reprsentation de la matrice Y (impdance quivalente)
Y12 = Y21= -YcY22 = Yb+ YcY11 = Ya+ Yc
Yc = -Y12Yb = (Y22+Y12)Ya = (Y11+Y12)
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
intrt de la reprsentation en Z : les montages en srie
F.CAIGNET
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Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
intrt de la reprsentation en Y : les montages en parallle
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Reprsentation de la matrice C (Matrice Chane)
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Connexions en cascade :
F.CAIGNET
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Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Matrices cascades :
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Relation entre les principales matrices
F.CAIGNET
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Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
exemple de mise en uvre des quadriples
Dbut Fin
R LCox
RSiZc
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
cas dun agresseur et dune victimechamp magntique prdominant
VictimeAgresseur
Rappel du problme :
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Mise en forme de quadriple : schma lectrique quivalent
C1 et C2 sont les capacit de rappel la masse L1 et L2 sont les inductances propres C0 est la capacit de couplage M correspond la mutuelle inductance gnrant un courant tel que :
cas dun agresseur et dune victimechamp magntique prdominant
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Mise en forme : quadriple quivalent
Nous avons considr ici que C1 et
C2 sont les capacit parasites
ngligeable en basse frquence.
cas dun agresseur et dune victimechamp magntique prdominant
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Modlisation CEM dun champ magntique prdominant
Dans une reprsentation de Norton, il en rsulte que :
M2 > jL
Approximation couplage faible :
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Cette dernire expression peut tre vue comme tant due deux sources de courant excitant le circuit victime : lun reprsentant le couplage capacitif et lautre le couplage inductif
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Modlisation CEM dun champ magntique prdominant
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Do les schmas quivalents :
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Modlisation CEM dun champ magntique prdominant
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Cas dun agresseur et dune victimechamp lectrique prdominant
VictimeAgresseur
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Cas dun agresseur et dune victimechamp lectrique prdominant
Quadriple quivalent :
Pour la configuration ci-dessus, leffet des inductances L1, L2, et M est ngligeable dans la plupart des cas.
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Cas dun agresseur et dune victimechamp lectrique prdominant
Quadriple quivalent : Mise en forme
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Cas dun agresseur et dune victimechamp lectrique prdominant
Approximation faibles couplages Co
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation par quadriplesModlisation par quadriples
Cas dun agresseur et dune victimeCas Gnral :
Le schma quivalent gnral reprsentant les deux couplages inductif
et capacitif est donn par :
Contribution inductive Contribution capacitive
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation CEM exemple dapplication Modlisation CEM exemple dapplication
Modlisation de pistes couples de circuits imprims
Une modlisation basse frquence (rgime quasi-statique) est possible lorsque
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Modlisation CEM exemple dapplication Modlisation CEM exemple dapplication
Modlisation de pistes couples de circuits imprims
On donne les expressions suivantes
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La compatibilit lectromagntique - CEM
RF MCU
Memory
Bus control
DSP
ADCDAC
Test
Augmentation de la complexit (SoC) => augmentation des puissances
sources EM les plus puissantes (forte activi interne)
Parties les plus susceptibles
Susceptibilit des P aux agressions lectromagntiques
Extension des problmes au niveau circuit
Les lois lectriques mises en jeu : ModlisationLes lois lectriques mises en jeu : Modlisation
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Oscilloscope 500MHz
10W amplifier
DC-2.2GHz waveformgenerator
CVI PC control
Direct power injectionBulk current injection
IEEE bus
Travaux exprimentaux 68HC12 (0.25m), MC33xxx (Bus
CAN) Dfinition dune mthodologie de
rduction de susceptibilit Motorola
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
Appareillage de mesure classiqueAnalyseur de spectre 1-1000MHz
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La compatibilit lectromagntique - CEM
TEM method, from SAE J1752/3 (Up to 1GHz)
Shielding50cm
10x10cm
SpectrumAnalyser
Chip under test
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
TEM method, issued for USA SAE J1752/3
50cm
10x10cm Measure
The best radiated mode method (IEC 61967-2)
Shielded box
Specific board
To spectrum analyzer
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Chip under test
Configuration switches
Outer side
Inner sideHF connectors
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
The TEM cell is Adapted 50
L/unit lengthC/unit length
Cable 50 Ohm
Terminaison 50 Ohm
= 50CLZ0
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
8.7cm
4.3cm
10cm
15cm
0.5cm
2cm 0.7cm
Cdie/septum 20-50fF
Cpackage/septum 50-200fF
Ldie/septum 250-400nH/m
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
Simulation lectromagntique de la cellule TEM
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Cdie_gndLpackage
Lseptum
50 50 Chip under test
Cdie_septumKCoupling
To PCB
Receiver
Chip under test
PCB
Couplage par capacit et inductances mutuelles
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
Modlisation lectrique de la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
Quels sont les modes de couplages mise en jeu?
LeadLead
Almost no couplingCoupling
current
TEM septum
On caractrise donc les rayonnement lie : au CI (cur + package)au pistes
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Measure in TEM cell
Frequency in MHz
L
e
v
e
l
i
n
d
B
V
-20-10
01020304050607080
10 100 1000
Orientation A
Orientation B
Custumer limit
(A) (B)
Plage de mesure : 10MHz 1GHz
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
The TEM cell at work
Vout
50ohm
Chip emission
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission : la cellule TEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Mme principe que pour la TEM, mais jusqu 18 GHz
Shielding
Septum DUT
Absorbant
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de lmission : la cellule GEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
10x10 cm opening
Shielding
Septum
DUT
Absorbant
E Field lines
H Field lines
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de lmission : la cellule GEM
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
German Std VDE UK 767.14 IEC 61967-4 International Standard
1ohm
SpectrumAnalyser
IC
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
3. Mesure de lmission : Mode conduit VDE
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Conducted emission of a micro-controller
Use of the 1ohm conducted emission method
dBV
Frequency
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
3. Mesure de lmission : Mode conduit VDE
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
1995 1997 1999 2001 2003
TEM CellSAE J1752/3 IEC 61967-2
RadiatedDC-1GHz
GTEM Cell
RadiatedDC-18GHz
ConductedDC-1GHz UK 767.14VDE 1 IEC 61967-4
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
Rsum des mthodes de mesure de lmission
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La compatibilit lectromagntique - CEM
Magnetic Probe SAE J1752/2(Japan) IEC 61967-3 International standard
Probe
DUT
Othercomponents
Receiver
Can locate high levels of emission, but depends on orientation
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
3. Mesure de lmission : Probe Magntique
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Magnetic Probe (IEC 61967-3)
Amax plot
X axis
X axis
Y axis
Y axis
IC location
AmaxdBV
freq
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
1. Mesure de lmission
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
mesures dmissions rayonnes dans une chambre semi-anchoique
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Bulk Curent Injection (IEC 62132-2)
Injection Measure
Inductive coilsWidely used in embedded electronicsVery similar to EM wave in Automotive (DC-150MHz)
DUT
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
BCI in CAN Bus (IEC 62132-2)
Inductive coupling to the networkParasitic current injected on the chipLimited to 1GHz
Normal current
Parasitic current
Coil
CAN Bus
Microcontroler
DUT
Fault
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
BCI measurement example
Lesssensitive
MoresensitiveConfig 1
Config 2
Frequency (MHz)
Currentprovokingfailure
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
I(dBA) Current limit
Frequencylimit
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Direct Power Injection DPI (IEC 62132-3)
Quite simple to use Very simple to modelize at low frequencySeveral set-up problemsLimited 1 GHz
Injection
High power wave DUT
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
10W Amplifier
Oscilloscope
PC Monitoring
Signal generator
IEE
E B
us or
Good signal
Failure signal
Printed Circuit Board
Device under test
Dout
Coupling Capacitance
DPI setup example
DUT
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Common mode methodologyFrequency range 150kHz - 1 GHz.Emulates real case equipment.
Workbench Faraday Cage from Philips (WBFC) IEC 62132-5
Les techniques de mesureLes techniques de mesure
2. Mesure de la susceptibilit
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Flow to compare measurements with simulations
Comparaison : Mesures/Simulations
Simulations Mesures
La modlisationLa modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 10 100 1000f (MHz)
d
B
V
EMC model
Measurements
Mode conduit
DUT
1To receiver
Spice Simulation
La modlisationLa modlisation
Comparaison : Mesures/Simulations
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Ib
Rvdd
Cd
Lvdd
Rvss Lvss
CbVSS
Limit of the dieLimit of the package
Lpack_vdd
Lpack_vss
Rsub
Cio
Lio
Cdie_septum
50
Inductor coupling
TEM cell To receiverMode rayonn
La modlisationLa modlisation
Comparaison : Mesures/Simulations
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Microprocessor in radiated mode
Mode rayonn
Prdire les + hautes frquences
La modlisationLa modlisation
Comparaison : Mesures/Simulations
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Siemens Automotive Toulouse
Equipment designers want to predict EMC before fabrication
Des models, pour quoi faire?
La modlisationLa modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
EMC handled at end of design cycle
DESIGNArchitectural
Design
Physical design
FABRICATION
Version n
EMC Measurements
GONO
+ 6
month
s10M
$
Compliance ?
Version n
Des models, pour quoi faire?
La modlisationLa modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
DESIGN
Architectural Design
Design EntryDesign Architect
EMC compliant
EMC SimulationsCompliance ?
GO
NO GO
Design Guidelines
Tools
ModelsEMC
Des models, pour quoi faire?
La modlisationLa modlisation
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEMConclusion - tendancesConclusion - tendances
Rsum :
La CEM devient un point bloquant du dveloppement des systmes
Deux aspects sont prendre en considration : lmission (on commence bien la matriser) La susceptibilit (quelques tudes)
Des mthodes de mesure existent (normalisation CEM) mais elles sont limites en frquence (1GHz)
La Modlisation se dveloppe (Mais quel modle doit ont utiliser pour modliser les CI).
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
Quelles sont les limitations majeures actuelles: Les mesures et les standards sont dfinis pour une bande de 1GHz : difficult pour mesurer au del de 1GHz.
Mise en place de modles de haut niveau (VHDL-AMS, SYSTEM-C) Prise en compte de laspect programmation.
Conclusion - tendancesConclusion - tendances
Lactivit des puces nest pas prise en compte dans laspect CEM (mission) des modles sont en cours dlaboration.
Pour linstant laspect susceptibilit et auto-pollution ne sont pas considrs au niveau des puces
Quel sera lvolution des problmes CEM dans les 10 prochaines annes? Quels remdes??.
F.CAIGNET
La compatibilit lectromagntique - CEM
http://assoc.wanadoo.fr/alain.borie/
Rfrences:Rfrences: