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P. POULICHET
Septembre 2010
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
1. Introduction ........................................................................................................................ 3
1.1 Les diffrents aspects de la CEM ......................................................................................... 4
1.1. Tests raliser sur un matriel pour vrifier la conformit la norme CEM ............ 9
1.1.1. Tests CEM pour les perturbations conduites...................................................... 9
1.1.2. Perturbations rayonnes.................................................................................... 10
2. Mcanismes de couplage des perturbations ..................................................................... 11
2.1. Couplage par impdance commune ......................................................................... 11
2.1.1. Impdance commune constitue par une piste de circuit imprim................... 13
2.1.2. Masse analogique et masse numrique ............................................................ 14
2.1.3. Chute de tension aux bornes dun conducteur de terre .................................... 15
2.1.4. Exemple de couplage sur un circuit logique .................................................... 16
2.1.5. Conclusion........................................................................................................ 17
2.2. Mode commun et mode diffrentiel ......................................................................... 17
2.3. Couplage inductif ..................................................................................................... 19
2.3.1. Couplage par diaphonie inductive.................................................................... 20
2.4. Couplage capacitif.................................................................................................... 21
2.4.1. Couplage par diaphonie capacitive................................................................... 21
3. Etude du couplage lectrique et magntique entre cble. Influence du blindage ............. 21
3.1. Couplage capacitif.................................................................................................... 22
3.2. Effet dun blindage sur le couplage capacitif ........................................................... 23
3.3. Couplage inductif ..................................................................................................... 26
4. Rduction du couplage magntique. Tore de mode commun .......................................... 29
5. Spectre dun signal dhorloge........................................................................................... 31
5.1. Modulation de la frquence du signal dhorloge...................................................... 34
6. Dcouplage des alimentations .......................................................................................... 36
1. Introduction
Depuis 1996, aucun appareil ne peut thoriquement tre commercialis sans avoir subit de test
de compatibilit lectromagntique (CEM). La CEM a pour objet de prendre en compte les
perturbations transmises par les appareils en fonctionnement pour assurer un fonctionnement
correct de plusieurs appareils en mme temps. Une dfinition prcise de ltude de la
compatibilit lectromagntique (CEM) peut tre :
Cela implique deux choses : dune part que les perturbations lectromagntiques mises par
lappareil ne soient pas trop importantes et que dautre part que les appareils puissent
fonctionner de faon satisfaisante en prsence de perturbations gnres par dautres
appareils.
On trouve des exemples de problmes de CEM dans la vie quotidienne. Par exemple, un
tlphone portable qui perturbe le fonctionnement du moniteur de lordinateur. Un autre
exemple est celui du fonctionnement dun vlomoteur mal antiparasit qui gne la rception
de la radio dans une voiture.
Ces dernires annes les performances des appareils ont beaucoup augments. Ces
amliorations ont t obtenues par une lvation de la frquence de fonctionnement des
dispositifs et par une augmentation de la densit dintgration (voir Figure 1).
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Ces trois critres font que les appareils ont une tendance mettre des perturbations et
quaussi il sont plus sensibles aux perturbations envoys par les autres appareils.
Les appareils numriques lorsquils fonctionnent hautes frquences sont aussi trs
gnrateurs de perturbations. Le temps de transition entre les niveaux logiques est le
paramtre le plus important pour caractriser la bande de frquences occupes par les signaux
dhorloges. Des temps de monte et de descente trs faibles engendrent des spectres trs larges
et ces composantes spectrales peuvent alors trs facilement se transmettre vers dautres
appareils.
Lobjectif de ce cours est de voir quelles peuvent tre les voies de transmission des
perturbations et comment on peut augmenter limmunit vis vis des perturbations mises.
Un systme lectromagntiquement compatible satisfait ces trois critres :
Comme nous lavons voqu plus haut, la CEM concerne la gnration, la transmission et la
rception de lnergie lectromagntique. On peut visualiser la transmission de lnergie entre
la source et le rcepteur de perturbation par le synoptique de la Figure 3. Une source produit
une mission et un canal de transfert ou de couplage communique lnergie au rcepteur. Ce
processus est dsirable et concerne le fonctionnement normal ou au contraire indsirable et
alors ltude de cette transmission de cette perturbation indsirable constitue la CEM.
Canal de Rcepteur
Source de bruit transmission
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Reprenons lexemple de notre ordinateur. Le processeur de calcul change des donnes avec
les mmoires au rythme dune horloge. Rgulirement les informations venant de la mmoire
sont envoyes vers lcran pour l affichage : cela constitue linformation dsirable.
Maintenant, les signaux rapides de lhorloge peuvent tre transmis via les transformateurs
dalimentations vers lcran et ainsi gner laffichage correct des donnes de la mmoire de
lordinateur. Des interfrences apparaissent si lnergie reue par le rcepteur est telle que son
fonctionnement normal est altr. Ceci constitue le fonctionnement indsirable et cest ce qui
sera tudi par la CEM.
Pour diminuer nos problmes de transmissions des perturbations, nous pouvons les prendre
sous trois angles diffrents :
Laugmentation de limmunit de lappareil peut tre obtenue par lutilisation dune paire
diffrentielle et un amplificateur dinstrumentation qui rejte la tension de mode commun.
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Pour bien comprendre sur un exemple quelles sont les diffrentes voies possibles de
perturbation, nous allons considrer un systme lectronique aliment partir du secteur.
Aprs le transformateur reli au secteur cot primaire, on trouve diffrentes alimentations
dlivrant le + 5V pour la partie numrique et le + 15V pour la partie analogique. Dautres
sous-ensembles fonctionnent partir du secteur, par exemple des ventilateurs. Tous ces
composants sont relis par diffrents cbles qui constituent dexcellentes voies de
transmission des perturbations. Les perturbations peuvent tre rayonnes par les cbles
(parce quil circule un courant) ou au contraire, un champ lectromagntique peut tre ramen
lintrieur du montage sous forme de tensions ou de courants. Ces transmissions rayonnes
sont reprsentes sur la Figure 4.a et 2b.
Les composants lectroniques peuvent aussi transmettre des perturbations par conduction.
Pour mettre en vidence ces voies de couplages, on doit prendre en compte les composants
parasites des diffrents composants lectroniques utiliss. En revenant notre exemple, les
signaux prsents sur la partie numrique considre comme bruyante peuvent transiter via le
transformateur dalimentation vers le secteur. En effet un transformateur peut tre modlis en
hautes frquences par le schma quivalent suivant. Les inductances l1, l2, L reprsentent le
fonctionnement magntique et basse frquence du transformateur. Les capacits places entre
la sortie modlise un couplage entre le primaire et le secondaire. Leurs effets se manifestent
en hautes frquences.
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La prsence des capacits parasites indique bien quune partie du signal prsent sur le
secondaire du transformateur sera transmis en partie cot primaire. Si les frquences traites
au secondaire sont leves, les perturbations seront dautant mieux transmises au travers du
transformateur. On retrouvera sur le courant primaire du transformateur lharmonique
correspondant la frquence du secteur et des composantes spectrales qui correspondent au
montage connect au secondaire. Ces perturbations peuvent aller gner le fonctionnement
dun montage plac de lautre cot dun second transformateur.
Pour dceler exactement par quelles voies sont transmises les perturbations par conduction,
les schmas quivalents des composants lectroniques doivent tre aussi prcis que possible
dans la bande de frquences dans laquelle le montage est utilis. Noublions pas que les
problmes de CEM en conduction seraient inexistants sans les diverses capacits et
inductances parasites se greffant sur les schmas quivalents des composants lectroniques.
Quelquefois, les cartes lectroniques sont places dans des boites mtalliques. Les diffrents
cbles par rapport aux parties mtalliques de la boite constituent une voie possible de
couplage entre le signal lintrieur du cble et la partie mtallique. La paroi mtallique a
quand mme pour avantage de constituer un isolement vis vis des champs
lectromagntiques extrieurs la boite. En effet, la thorie de transmission dune onde
lectromagntique dans un mtal montre quune partie de londe est cde au mtal. On peut
donc par ce biais augmenter limmunit dun systme mais ceci au dtriment du cot et du
poids.
Dautres voies de transmission de perturbations apparaissent sur la Figure 7. Sur la Figure 7.a,
on sintresse aux dcharges lectrostatiques mises en vidence de faon flagrante lorsquon
marche sur une moquette avec des souliers isolants. Les frottements des deux parties isolantes
font apparatre des charges qui ne demandent qua svacuer sur une partie mtallique
connecte la terre. Le courant qui apparat alors quand on touche un lment mtallique
connect la terre a l allure de la Figure 6. Cette dcharge lectrique risque de mettre mal
une lectronique sensible (circuit intgr CMOS) et la conception de cette lectronique devra
tenir compte de ces perturbations.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Lors dun orage, le courant circulant du nuage vers la terre est trs important (jusqu
50000A). Un avion qui volera en cas dorage devra pouvoir supporter, sans incident sur ces
appareils de bord ces courants trs importants (Figure 7.c).
Puisque tout systme physique fonctionnant par dplacement de courants gnre des champs
lectromagntiques, il est possible en connectant une antenne un amplificateur trs sensible
de pouvoir retrouver les donnes que lordinateur manipule (Figure 7.d).
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1.1. Tests raliser sur un matriel pour vrifier la conformit la norme
CEM
Pour quun appareil fonctionne correctement sans perturber les autres appareils, et sans tre
gn par les missions des autres appareils, des normes ont t tablies pour spcifier le
niveau maximal que lappareil devait mettre et ces normes dfinissent galement les niveaux
minimums que devait pouvoir supporter lappareil sans pour autant tre gn au cours de son
fonctionnement. Les rsultats de mesures dpendant trs fortement de la faon dont ils sont
mesurs, les dispositifs de mesures ont donc t spcifis dans des normes. Tous les appareils
ne devant pas supporter les mmes valeurs de champs lectromagntiques, ces normes
concernent une catgorie dappareils. Par exemple on comprend bien que les niveaux
maximums dmission pour les appareils usage mdical sont beaucoup plus faibles que, par
exemple, pour le domaine industriel.
Nous ne voulons pas prciser exactement pour chaque type dappareils la mthode de
mesures donne par la norme, ni spcifier exactement les niveaux respecter pour
quun appareil soit conforme aux normes CEM. Ce serait trop fastidieux. Par contre, du
point de vue de la comprhension il est intressant de se pencher sur les dispositifs
classiques de mesures pour satisfaire la norme et de voir lallure du gabarit de niveau
en fonction de la frquence pour respecter le niveau maximal dmission.
La mesure des courants renvoys vers le secteur par lappareil tester se fait laide dun
dispositif se connectant entre lappareil tester et le secteur, dispositif appel Rseau de
Stabilisation dImpdance de Ligne (RSIL). Cet appareil permet simplement de sparer les
courants de conduction la frquence du secteur des harmoniques aux frquences beaucoup
plus leves. Il permet aussi de prsenter une impdance constante pour le rcepteur de la
perturbation. Enfin, il isole le rcepteur des perturbations secteur.
Le test de la susceptibilit dun appareil se fera en utilisant une pince dinjection de courant
(idem transformateur que lon vient placer autour du conducteur pour crer linjection du
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
courant) pour gnrer la circulation dun courant que lon contrlera. On notera la valeur du
courant partir duquel apparatront des dfauts de fonctionnement. Si le courant dinjection
est trop intense, il pourra y avoir destruction de lappareil.
Pour mesurer les missions des appareils en test, on utilise des antennes places 3 ou 10
mtres de lappareil tester voir Figure 10. Les champs lectromagntiques pouvant ne pas
tre trs levs par rapport aux champs environnants en espace libre, il est ncessaire de se
placer dans une cage de Faraday ou une chambre anchode pour sisoler des bruits
lectromagntiques. Le signal sortant de lantenne est analys avec un analyseur de spectre.
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Pour tester la susceptibilit dun appareil, on utilise des antennes qui vont gnrer des champs
lectromagntiques perturbateurs. On observera le fonctionnement de l appareil tester et on
notera partir de quel moment il y a dysfonctionnements. En prsence de champs trs levs,
il peut y avoir destruction de lappareil.
Bien que le mcanisme de transmission des perturbations dans un systme ne soit pas simple
analyser, on peut quand mme se rfrer quelques cas simples. Dans un cas rel, la
transmission des perturbations peut se raliser par couplage par impdance commune, par
couplage inductif ou capacitif. Il est aussi important de diffrencier le couplage en mode
commun et en mode diffrentiel. Les perturbations par rayonnement en champ proche ou en
champ lointain interviendront aussi.
Le couplage par impdance commune est mis en vidence lorsquun courant circule entre
deux sous ensembles du circuit travers une impdance commune constitu par une liaison
entre les deux circuits. La chute de tension dans limpdance commune perturbe
lalimentation dun ou des deux sous ensembles. Ce cas est trs bien illustr dans lexemple
de la Figure 11. On considre un amplificateur audio avec un tage bas niveau qui
amplifie beaucoup la tension et un amplificateur de puissance qui a un gain en tension faible
mais qui dlivre un courant lev (cet exemple est extrait dun TP ralis par les tudiants de
lESIEE). Le courant important, ncessaire au fonctionnement de lamplificateur de puissance,
circule travers limpdance commune et vient perturber lalimentation de ltage bas niveau.
La tension alimentant ltage bas niveau varie donc en fonction du courant consomm par la
charge. Pour peu que le premier tage possde un grand gain et que limpdance commune ne
soit pas ngligeable, le montage cr est un oscillateur.
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Cela se rsout simplement dans ce cas en dcouplant lalimentation commune par des
capacits. Mais il y a des cas ou le problme est bien plus difficile rsoudre notamment
lorsque les courants circulants sont importants et lorsque le couplage est de mode commun.
Lautre cas de couplage par impdance commune se ralise par lintermdiaire de la masse.
Considrons un systme constitu par un moteur et un capteur; par exemple un capteur de
temprature plac dans un moteur lectrique. Ces deux ensembles sont connects par rapport
un potentiel commun : la masse. Le couplage se ralise comme dcrit sur la Figure 12.
alimentation alimentation
de puissance bas niveau
module
moteur d'amplification
triphas
capteur
Z1 Z2
Pour rduire le couplage par impdance commune, on doit sefforcer de diminuer limpdance
Z1 ou de diminuer le courant qui la traverse. La diminution de Z1 sobtient par la ralisation
dun rseau de masse vraiment quipotentiel. En vue de diminuer le couplage par rapport Z1
et Z2, on cherche isoler le capteur et son module damplification par rapport la masse
comme reprsent sur la Figure 13.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
alimentation alimentation
de puissance bas niveau
module
d'amplification
moteur
triphas
capteur
Z1 Z2
Limpdance commune est constitue par une piste de circuit imprim de longueur 10 cm
dpaisseur 35 m et de largeur 1mm.
En continu ou en basse frquence, le courant perturbateur dans l impdance commune est de
1A. Limpdance de la piste peut tre considre comme rsistive de valeur 50 m. La chute
de tension aux bornes de la piste est donc de 50 mV.
En alternatif ou en transitoire rapide le courant perturbateur est toujours de 1 A mais la
frquence de 10 MHz. Le comportement de la piste est principalement inductif et la valeur de
linductance dpend de la configuration de la piste. Selon que celle-ci est au dessus dun plan
de masse, ou dune piste (circuit double face) ou coplanaire avec une autre piste et du sens de
circulation des courants, la valeur de linductance diffre. Habituellement pour avoir un
ordre de grandeur de linductance, on choisit une inductance linique de 1 H.m-1. La
chute de tension (L.) aux bornes de cette piste est alors de 6 V.
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2.1.2. Masse analogique et masse numrique
Il est important de se proccuper des effets de couplage par impdance commune quand on
travaille simultanment avec des circuits numriques et des circuits analogiques. La
consquence est la prsence dans les convertisseurs analogiques numriques et les
convertisseurs numriques analogiques performants, de masses analogiques (AGND) et de
masses numriques (DGND) diffrentes avec deux broches diffrentes sur le circuit intgr.
En effet, lanalogique est beaucoup plus sensible aux variations de tension dalimentation que
le numrique. La marge de bruit est de lordre de la moiti de la tension dalimentation pour
les circuits numriques alors quelle est bien infrieure pour un circuit analogique. Le
deuxime point est que le numrique engendre des variations importantes du courant
consomm par les circuits ce qui gnrent des tensions aux bornes du fil de connexion
(modlis principalement par une inductance).
Linductance dune connexion entre une broche du circuit et la puce au travers du fil de
bounding (de la puce vers le support) est de lordre de 10 nH pour un circuit 16 broches en
botier DIP. Pour un courant de 10 mA une frquence de 10 MHz, la tension est de lordre
du mV. Cette tension variable vient aux tensions prsentes normalement sur le circuit et elle
peut rendre instable les parties analogiques. En sparant les alimentations, la chute de tension
napparat que sur lalimentation numrique.
Les problmes existant au niveau circuit intgrs sont encore beaucoup plus important quand
on utilise ces circuits sur un circuit imprim. Prcisons demble quil est trs utile de faire un
plan de masse le plus large possible avec le minimum de trous lintrieur. Cela permet de
rduire linductance du plan de masse. Le plan de masse sera reli dun cot aux circuits
analogiques et de lautre cot aux circuits numriques. De toutes faons, ces plans seront
relis en un point puisque la rfrence (0V) du signal numrique est la mme que pour le
signal analogique. Le point ou les masses sont relis dpend du nombre dalimentations que
lon utilise.
Soit lalimentation est commune pour la partie analogique et la partie numrique et dans ce
cas, le plan de masse est commun sur toute la carte comme sur la Figure 15.
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Soit lalimentation est spare avec une partie alimentation analogique et une partie
alimentation numrique avec deux transformateurs pour une sparation des masses. Les
masses sont alors relies ensembles sur les plans de masse comme le montre la Figure 16.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Nous observons dans ce paragraphe les effets de couplage entre piste dans un circuit intgr.
La Figure 17 donne les valeurs de capacit quivalente des entres sorties et les valeurs du
coefficient de couplage entre 2 broches. Pour mettre en vidence ce dernier, lentre dun
buffer de type 74LS245 prsent sur la Figure 17 [9].
Figure 17 : modle des broches entre et sortie sur un botier DIP et schma logique
dun 74LS245
Sur la Figure 18, il est visualis le changement dtat des entres A1,A3A7. La tension
dentre A2 reste constante. Simultane au changement dtat la tension en sortie B2 varie ce
qui est caus par le couplage par inductance mutuelle entre les pistes et par le bruit de
substrat
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
2.1.5. Conclusion
En haute frquence ou lors des transitoires rapides, leffet inductif prdomine dans les
conducteurs de limpdance commune. Le niveau des tensions peut perturber le
fonctionnement des dispositifs. En continu ou en basse frquence, les tensions cres
peuvent facilement perturber linformation contenue dans les signaux bas niveaux vhiculs.
On peut rduire ce couplage en diminuant limpdance (liaisons courtes, plan de masse ou en
sparant les circuits de mise la masse) et en assurant une quipotentialit maximale de
lquipement et de son environnement ce qui est le cas avec un plan de masse et le maillage
des masses.
Dans un circuit la circulation des courants stablit toujours par lintermdiaire de courants de
mode commun et de mode diffrentiel. Le courant de mode diffrentiel se transmet par une
liaison bifilaire sans circulation de courant dans une rfrence de potentiel commune. Le
rseau de distribution de lnergie (EDF avec phase et neutre) est du type diffrentiel.
Le mode commun utilise le rseau de masse ou de terre comme potentiel de rfrence
commun. Un courant circule dans le rseau de terre entre un metteur et un rcepteur. Voyons
sur la figure 11 lillustration du mode commun et du mode diffrentiel. Lmetteur symbolise
un premier dispositif reli par une liaison bifilaire un rcepteur reprsentant un deuxime
dispositif. Par la liaison bifilaire, il y a circulation de courant entre lmetteur de la
perturbation et le rcepteur. La liaison comporte un potentiel de rfrence commun reprsent
par un plan de masse mtallique.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Mode diffrentiel
Emetteur Recepteur
Imd
Imd
Imc/2
Imc/2
Imc Imc
Imc
Dans le mode diffrentiel la totalit du courant circule dans la liaison bifilaire entre les deux
appareils. Le courant daller est gal au courant de retour .
Dans le mode commun, une partie du courant circule travers la capacit de couplage entre
lamplificateur et le botier mtallique. Ce courant circule travers la masse de rfrence de
potentiel commun. Le courant dans la liaison filaire est divis en deux parties.
Dans un montage rel entre deux dispositifs relis par une liaison bifilaire, le courant circulant
entre les deux appareils est la somme dun courant de mode commun et de mode diffrentiel.
On doit donc considrer les 2 modes de la figure 11 et on arrive la figure 12.
Un champ magntique H(t) et un champ lectrique E(t) rayonns par une source perturbatrice
font apparatre une tension et un courant qui intervient en mode diffrentiel et en mode
commun. On parle alors de couplage de champ cble en mode commun et en mode
diffrentiel.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Supperposition du mode diffrentiel et du mode commun
Emetteur Recepteur
Imd + Imc/2
Imd - Imc/2
Imc Imc
Imc
Soit un circuit lectrique ferm 1 parcouru par un courant I1. La surface du circuit est S. La
relation physique entre le courant circulant dans le circuit et le flux gnr par le passage du
courant dans le circuit, est exprim par linductance du circuit. Linductance caractrise donc
le flux gnr par le circuit lorsquil est parcouru par un courant I.
= B.dS = L.I 1
Quand une partie du flux traverse un circuit 2, la partie du flux 12 est caractris par la
12
mutuelle inductance : M12 = . De mme, si on fait circuler un courant I2 dans le circuit 2
I1
21
( M21 = M12 = ).
I2
La tension induite dans une boucle ferm daire S et traverse par un champ magntique B
sexprime par la relation dduite de la loi de Faraday
d d ( B. n. dS )
VN = =
dt dt
Cette tension apparat aux bornes dun circuit ferm daire S lorsque ce circuit est travers par
un champ magntique B. Pour exprimer les choses dune autre faon, on peut introduire la
mutuelle inductance entre les deux circuits et la tension induite sur le circuit est :
VN = j. M12 .. I1
19
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
VN = j .B.S.cos( )
B
R1 R2
S
Ces phnomnes trs simples dcrivent assez bien ce qui se passe avec des couplages
magntiques dans un circuit. Pour diminuer le couplage indsirable, on peut agir sur B, S et
cos() :
La figure 14 illustre le mode de cblage entre deux armoires pour diminuer la tension induite
en srie sur le cble de donnes. Sur la figure 14 droite, la surface engendre par le cblage
de la liaison transmettant les donnes est rendue minimale.
boucle
cble de donnes
Le champ magntique variable H(t) cr par un conducteur parcouru par un courant I, est
intercept par un conducteur voisin se comportant comme une boucle. Il y a donc apparition
dune force contre-lectromotrice. Cette ddp pourra apparatre sous forme diffrentielle ou
sous forme de mode commun. Il est pratique de modliser le couplage entre les 2 boucles par
une mutuelle entre les deux circuits.
20
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Umd
H(t)
I
Umc
Source victime
Un champ lectrique E variable appliqu sur un circuit conducteur ouvert fait apparatre une
tension V telle que : V = E . dl . Quand on referme le circuit, il y a circulation de courant. Le
couplage par champ lectrique est quivalent au couplage par lintermdiaire dune capacit
qui engendre le mme courant au travers du circuit.
Le champ lectrique variable E(t) cr par la ddp entre 2 conducteurs est intercept par un
conducteur voisin. Il y a donc apparition dun courant dans ce conducteur. Ce courant apparat
sous forme diffrentielle ou sous forme de mode commun dans le circuit victime.
Umd
E(t) Im d
Im d
Im c Im c
U(t)
Source victime
Dans ce paragraphe nous tudierons un phnomne trs important dans la CEM, le couplage
par lintermdiaire des cbles. Dune part en raison de la longueur des connexions dans un
montage quils reprsentent, et la bonne efficacit du couplage (en basses et moyennes
21
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
frquences), les cbles sont indispensables prendre en compte dans une modlisation CEM.
Dautre part dun point de vue didactique, les phnomnes sont relativement simples
interprter puisque nous pouvons remplacer les couplages lectromagntiques par des rseaux
lectriques quivalents. Nous tudierons le couplage champ cble et le couplage cble
cble. Pour cela nous devrons considrer que la longueur donde du signal incident est grande
devant les dimensions du cble considr.
Les deux premiers peuvent tre considrs comme des couplages en champ proches tandis que
le troisime doit tre considr comme un champ lointain.
Remarquons que comme la capacit C1G est place directement aux bornes du gnrateur de
tension, elle na aucun effet. Le schma quivalent capacitif ainsi que son quivalent
lectrique sont reprsents sur la Figure 24 :
1 2
C12
C12
C1G C2G
V1 C1G C2G R VN
V1 R
VN
22
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
R est la rsistance de charge place aux bornes du cble 2. La tension VN est donne par la
jRC12 j C12
relation suivante : VN = V1 . = V1 . ( 1)
1 + jR( C12 + C2 G ) 1
+ j( C12 + C2 G )
R
1
, la relation devient VN = V1 . jRC12 .
j( C12 + C2 G )
Quand R peut tre nglige par rapport
Cette relation est importante car elle montre quun couplage capacitif peut se ramener dans un
V
circuit sous la forme dun gnrateur de courant de valeur I N = N = jC12.V1 .
R
Pour diminuer le couplage capacitif entre deux circuits, on cherchera rduire la frquence de
fonctionnement si cela est possible, diminuer la rsistance de charge de la ligne 2 et
loigner les lignes 1 et 2 pour diminuer la capacit C12. Nous allons montrer quun blindage
sur le conducteur 2 permet aussi de diminuer la tension prsente sur la ligne 2. Daprs la
V
relation (1) nous avons trac N en fonction de la frquence sur la figure ci-dessous.
V1
Le couplage capacitif nest pas limit au circuit tudi Figure 23. Il apparat dans un
transformateur quand on considre le couplage capacitif entre le primaire et le secondaire. Il
en est de mme dans un connecteur entre les sorties de fils. Le plan de masse nest pas
forcement matrialis, mais est par exemple le botier mtallique sur lequel est viss le
connecteur qui fait office de plan de masse.
Dans un premier temps nous considrons que la rsistance place sur la ligne 2 une valeur
infinie. Le cble 2 est blind sur toute sa longueur. On a donc le schma suivant :
23
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
1 2
blindage
C1S
C1S CS2
2
C1G CSG
V1 C1G
CSG VN
V1 CS2
Daprs le schma lectrique de la Figure 26, on voit que la tension mesure sur la ligne 2
C1S
sexprime par : VN = V1. .
C1S + CSG
Si le blindage du cble 2 est connect la masse, la tension rsultante au couplage capacitif
est nulle. Le blindage lectrique est donc parfaitement assur.
En pratique, le blindage nest pas aussi bon car le blindage du cble 2 nest pas ralis sur
toute la longueur. En effet, il faut bien connecter la sortie du cble blind au montage! En
considrant quun partie du cble 2 est soumise au couplage lectrique, le montage devient.
24
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
C1S CSG
C12
V1 C2G CS2
C1G VN
C12
V N = V1 .
C12 + C2 G + C2 S
Le circuit quivalent est identique celui trouv au 3.1 ceci prs que la capacit C2G doit
tre remplac par la capacit C2G+C2S. La fonction de transfert obtenue est donc :
jRC12 jC12
VN = V1 . = V1 .
1 + jR( C12 + C2 G + C2 S ) 1
+ j( C12 + C2 G + C2 S )
R
1
Pour simplifier lexpression, on peut considrer le cas plausible ou R <<
( C12 + C2 G + C2 S )
et la tension rsultante aux bornes du cble 2 est donne par lexpression : VN = V1 . jRC12
Nous avions obtenu exactement la mme expression dans le cas ou le cble 1 ntait pas
blind, mais la diffrence fondamentale rside dans lordre de grandeur de la capacit C12. La
capacit C12 est diminu de beaucoup puisque linfluence capacitive a lieu juste sur les
quelques centimtres ou le cble nest pas blind.
25
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
De toute faon, notre calcul montre que lon a tout intrt raliser une connexion en utilisant
des fiches blindes pour raliser la liaison entre le cble blind et le montage.
Dans le cas dun circuit imprim, un plan de masse conducteur permettra de limiter le
couplage entre des pistes dune face avec les pistes de lautre face.
Comme dans le cas du couplage capacitif, on considre un circuit constitu par deux
conducteurs parallles. Il existe un couplage inductif, cest dire quune partie du flux cr
par le passage du courant dans le conducteur 1 donne lieu une tension ou un courant dans le
cble 2. Conservons le circuit de base pour le couplage magntique comme reprsent sur la
Figure 30.
s2 = j M R1
e1 R R1 R1 R2 + j (R L2 + R1 L1 )+( j )2(L1 L2 M 2 )
Cest une expression du type filtre passe bande et la tension U1 est dautant plus grande que la
frquence augmente jusqu une certaine limite ou elle dcrot. En basse frquence la tension
croit comme j R1 M donc avec une pente + 20 dB / dcade.
Daprs lexpression obtenue, on peut en dduire :
le couplage inductif agit comme un filtre passe haut. Plus la frquence du signal
prsent sur la premire ligne est lev et plus le couplage est manifeste. Cest
videment vrai avec des circuits numriques qui fonctionnent avec des signaux
logiques trs rapides.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Le modle prsent peut aussi servir en cas de couplage dun champ magntique sur un cble.
Le couplage inductif sur la ligne 2 peut tre reprsent par le circuit ci dessous dans lequel on
M
a remplac le couplage magntique par une source de tension U i = j
R( R1 + R2 )
V1 .
s2
L2
R1
R2
Le schma quivalent utilis pour le couplage entre deux lignes peut tre employ dans le cas
de couplage magntique sur un cble coaxial. La structure du cble coaxial permet la
circulation dun courant dans lme et dans le blindage. Quand un courant circule dans lme,
le flux cr par le passage du courant dpend de linductance propre de lme. = L1 . I1 . Ce
flux est intgralement vu par le blindage du cble coaxial. La mutuelle de couplage entre
lme et le blindage est donc gale linductance L1. Rciproquement, linductance propre du
blindage L2 est gale la mutuelle de couplage entre le blindage et lme. Un courant
circulant dans lme du cble, et se refermant en totalit dans le blindage gnre un champ
magntique lextrieur du cble est nul. Le champ magntique ou le flux gnr par le
passage du courant est concentr dans le cble coaxial.
Dans un circuit quelconque, il nest pas priori vident que le courant dans lme soit
identique au courant dans le blindage. Mais, la mesure faite sur le schma de la figure ci-
dessous permet de montrer quau del dune certaine frquence, le courant circulant dans
lme se referme en totalit dans le blindage ( I1 = I 2 ).
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Remplaons le circuit lectrique prcdent par le schma lectrique ci-dessous.
R1, L1 et R2, L2 sont respectivement les rsistances et inductances du cble coaxial. Les
inductances L1 et L2 sont couples par une mutuelle M. La rsistance de la liaison D C est
R3.
V2 peut scrire : V2 = jL2 I 2 jM I1 et V2 + R2 I 2 = R3 ( I1 I 2 ) . Tout calcul fait on obtient :
M
1+ j
I2 R3 R3
= .
I1 R3 + R2 L2
1+ j
R2 + R3
I2 R3
En basse frquence cette fonction se simplifie en = . Comme R3 est une rsistance
I1 R3 + R2
de faible valeur, la majeure partie du courant I1 passe travers R3. La surface de capture dun
champ magntique extrieur est donc fixe par la boucle A B C D.
I2 M
En haute frquence, lexpression devient : = . Pour le cble coaxial, M a une valeur
I1 L2
proche de L2 et le courant I1 passe en grande partie travers le blindage. La surface de
capture du champ magntique est fixe par la boucle A B C E F D. Cette boucle est de surface
nettement plus faible que la boucle A B C D et il sen suit une bien meilleure efficacit de
blindage en haute frquence. La tension quivalente au couplage magntique que lon peut
ramener dans le circuit, dpend directement de la surface du circuit.
Il est trs important de noter que lefficacit de blindage en champ magntique du cble
coaxial nest pas due au matriau constituant le blindage, mais que linductance
mutuelle du cble coaxial entrane la circulation du courant travers le blindage au
1 RS
dessus dune frquence : . .
2 LS
Dailleurs pour sen convaincre, il suffit de laisser sans connexion la masse le blindage, ou
mme de le connecter la masse en un seul point, pour constater que ce blindage est
inefficace pour blinder en champ magntique. Cette frquence appele frquence de coupure
du blindage, est pour un cble coaxial courant, de lordre de 103 Hertz. Au dessus de 5 fois la
frquence de coupure du blindage, lintgralit du courant traversant la rsistance de sortie
circule travers le blindage.
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P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Dans les montages dlectronique de puissance, entre lunit centrale dun ordinateur et
lcran, dans des liaisons vers l extrieur dun lecteurs DVD pour ne citer que quelques
exemples, il est plac autour des fils de sortie des connexions, des circuits magntiques ferms
que lon qualifie de tore de mode commun. Ces matriaux souvent de forme torique limite la
circulation des courant de mode commun entre 2 circuits (entre lunit centrale et lcran de
lordinateur).
Pour comprendre comment peuvent circuler ces courants de mode communs, on peut
considrer simplement le schma simplifi de la Figure 34. On reprsente le couplage qui
existe entre la mesure de courant dans un interrupteur dalimentation dcoupage et
loscilloscope de visualisation. Si on nvite pas la circulation du courant de mode commun
entre le transistor de puissance de lalimentation dcoupage et loscilloscope, le signal
mesur est fortement perturb et son allure na que peu de rapport avec la variation du courant
dans le transistor de puissance.
Le schma de lalimentation dcoupage est reprsent trs simplifi avec juste les lments
essentiels : le transformateur disolement L2, le MOS de puissance, le radiateur et la capacit
parasite de couplage entre le radiateur et le MOS, et le gnrateur interne lalimentation
dcoupage pour gnrer la commande du transistor MOS. Le capteur de courant mesure le
courant de drain, et il est connect par un cble loscilloscope de visualisation. La boucle
constitue par limpdance de connexion du radiateur la terre, la capacit parasite du MOS
par rapport au radiateur, la capacit du capteur de courant par rapport au fil de mesure, le
cble de connexion et la liaison oscilloscope terre, peut tre une boucle dune surface
importante. Une induction magntique dans cette boucle entrane la circulation dun courant
qui est dit de mode commun car commun aux 2 appareils, qui vient perturber le courant
29
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
mesur. Pour viter ce genre de msaventure, on place donc un tore de mode commun.
Voyons sur le schma quivalent suivant comment se manifeste les problmes.
La tension transmettre entre les 2 circuits est la tension Ve, et la tension que lon mesure est
la tension Vs. Vg est une tension parasite qui est due par exemple un couplage inductif sur le
circuit de masse. Dou le schma quivalent :
Pour simplifier, on supposera aucune fuites entre les 2 inductances L1 et L2. Donc, L1 = L2 =
M = L. Dautre part, Rc2 << RL.
Le calcul de Vs en fonction de Ve se fait en 2 tapes par le thorme de superposition des
tats dquilibres.
VS 1
Avec Ve = 0 et donc Vg non nul, le calcul donne : = . On a un filtre passe bas
Vg 1 + j L
Rc 2
1
de frquence de coupure f c = . A tension Vg fixe, on cherche ce que la tension Vs
Rc 2
2
L
30
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
soit la plus faible possible pour ne pas perturber le signal dentre. Pour rduire la frquence
de coupure fc, on enroule le cble de connexion entre les 2 circuits autour dun tore
magntique pour augmenter son inductance comme montr sur la Figure 37.
31
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
E tr tf E tr + tf
(t ) (t tr ) t
E E
h' ' (t ) = + t
tr tr tf 2 tf 2
Le spectre C(f) est calcul par la relation : Cn( f ) = h(t ).e jn 0 t dt . On obtient :
1
T
tr tf tr + tf
E1 1
1 jn 0 + 1 jn 0 +
C ' ' n( f ) = e jn 0tr e 2
+ e 2
T tr tr tf tf
jn0 tr tr
jn 0 +
Ee jn 0 tr e jn0 tf
tr 2 tf
2 jn 0 jn 0
= e 2 e 2 e 2 e 2
T tr tf
jn 0 tr tr
jn 0 +
e 2 jn 0 tr jn 0
tr e 2 jn 0 tf jn 0
tf
Cn( f ) =
E 1 e 2 e 2 e 2 e 2
T ( jn 0 )2 tr
tf
jn 0 tr jn 0
tr 1 e jn 0 jn 0 tr2
Cn( f ) =
E 1 e
2 e 2 e
T ( jn 0 )2 tr tr
E 1 1 jn 0 2
tr
jn 0
tr jn0
jn 0 jn 0
+ tr
= e e 2 e 2 e 2 e 2
T ( jn 0 )2 tr
=
E 1 (2 j ) sin n tr sin n .e jn0
2 + tr
0 0 2
T ( jn 0 )2 tr 2 2
sin x
Une dernire mise en forme permet de faire apparatre deux .
x
tr
sin n 0 sin n 0 + tr
E. 2 2 jn0 2
Cn( f ) = .e
T tr
n 0 n 0
2 2
32
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
sin x
Pour tracer la fonction en asymptotique, intressons nous son allure. Lallure de
x
sin x
log peut se rsumer une asymptote 0 dB et une asymptote 20 dB/dcade
x
intervenant partir de x = 1 comme le montre la Figure 40.
sinx/x
en log
1
0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
-3.5
-4
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x en log
sin x
Figure 40 : module de
x
En basse frquence, le 20.Log Cn( f ) se rsume 20.Log E . En frquence intermdiaire
T
1 1
(cest dire pour f compris dans lintervalle suivant : < f < ), la dcroissance du
.tr
1
spectre est en 20 dB/dcade. Au dessus de la frquence , la dcroissance est en 40
.tr
dB/dcade comme on peut le voir sur la Figure 41.
33
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
1
Au dessus de la frquence , les amplitudes des raies spectrales diminuent trs rapidement.
r
On peut considrer que le spectre est ngligeable partir de cette frquence. Loccupation
spectrale dpend directement du temps de monte. Un temps de monte trs faible occasionne
un spectre du signal dhorloge trs large. Prenons un exemple pour illustrer ceci.
1 1
f = 10 MHz et tr = tf = 20 nS ; f1 = = 6,4 MHz et f 2 = = 15,9 MHz
t r
1 1
f = 10 MHz et tr = tf = 5 nS ; f1 = = 6,4 MHz et f 2 = = 63,7 MHz
t r
Pour satisfaire les normes de CEM, de nombreux circuits utilisent une modulation de la
frquence dhorloge (SST pour Spread Spectrum Technology) [11]. Cela signifie que la
frquence de lhorloge nest plus rigoureusement stable mais quelle varie sur une plage de
frquence. La variation de frquence est faible : de lordre du pour-cent. Lobjectif attendu est
dtaler le spectre et de rduire lamplitude une frquence donne denviron 10 dB.
Lexemple dcrit la Figure 42 montre que la frquence dhorloge initiale 100 MHz est
rduite 99.75 MHz et quil est ralis une modulation de la frquence. La variation de
frquence est linaire. La frquence de modulation varie typiquement entre 6 et 55 kHz.
34
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
La Figure 43 montre lintrt dtaler le spectre pour obtenir une rduction des amplitudes.
Cette rduction dpend directement de lexcursion en frquence : environ -10 dB pour un
talement de spectre de 0.5 % soit 500 kHz.
35
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
Le rle dune capacit de dcouplage est de faire en sorte que limpdance de lalimentation
soit la plus faible. Les conducteurs dalimentation ont une impdance de type rsistive et
inductive. La partie inductive est cause par le champ magntique gnr par le passage du
courant dans le conducteur daller et de retour. Un plan de masse joue un rle favorable pour
rduire linductance comme nous lavons vu au paragraphe 2.1.1.
Le dcouplage est assur par plusieurs capacits placs en parallle sur lalimentation. Une
capacit de forte valeur (typiquement qq 100 F) permet dobtenir une impdance faible en
basse frquence. Par ailleurs, les rgulateurs de tension linaires ou dcoupage prsente
gnralement une impdance faible jusqu quelques dizaines de kilo Hertz. La faible
impdance apport par la capacit de forte valeur est limit par la frquence de rsonance
1
fr = comme le montre la Figure 44. Linductance L est la somme de linductance de
2 LC
la liaison et de linductance interne la capacit.
Des capacits de faibles valeurs et utilisant des botiers de faibles dimensions prsenteront une
inductance interne plus faible que des capacits de fortes valeurs. Ces capacits de faibles
valeurs seront places avantageusement aux bornes de lalimentation de chaque circuit
intgr. La Figure 45 illustre le placement de la capacit de dcouplage dans le cas dun
circuit imprim multicouches. Les deux bornes de la capacit sont connectes par des liaisons
les plus courtes possibles aux plans internes dalimentations. Linductance des vias est
36
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
comprise entre 300 pH et 4 nH suivant sa gomtrie. Linductance de la piste dalimentation
dpend directement de laire du circuit comme reprsent la Figure 45.
Linductance galement prendre en compte est celle des plans dalimentations. Ceux devront
tre les plus larges possibles et sans ouverture.
37
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
cas le plus dfavorable de la Figure 46, linductance associe aux vias est de 4 nH. La
1
fr = = 22 MHz
frquence de rsonance est alors gale : 2 4.9e 9 0.01e 6
38
P.Poulichet Chapitre 1 : introduction la compatibilit lectromagntique
BIBLIOGRAPHIE
[6] E. Sicard and Al, Toward an EMC roadmap for Integrated Circuits,
EMC Compo 2007. www.itrs.net ou www.medeaplus.org
[9] Note dapplication TI. Comparison of the Packages DIP, SOP, SSOP,
TSSOP and TQFP SDZAE04.
39