LA SUSCEPTIBILITE ELECTROMAGNETIQUE DES SYSTEMES EMBARQUES

Une source de perturbation est l’élément à l’origine de n’importe quelle forme de signal non désiré. Un système perturbateur contient un élément à l’origine de cette perturbation. Cet élément peut lui aussi être considéré comme contenant un ou plusieurs élément(s) encore plus petit(s) à l’origine de cette perturbation.

Ainsi, une source peut être décomposée en une autre source et un couplage. Par exemple, l’émission d’un microcontrôleur est le résultat de la commutation de cellules logiques. Les métallisations de la puce ainsi que les pistes du boîtier ou du circuit imprimé servent d’antenne pour transformer les transitoires de courant dans chaque cellule individuelle en un champ électromagnétique.

Une victime peut aussi être décomposée en sous éléments. Cependant, son critère de susceptibilité varie également selon qu’on observe le circuit intégré ou le système global.

Par exemple, pour un même récepteur téléphonique, on pourra se focaliser sur :

– La qualité du signal analogique. C’est un critère qui n’implique que l’antenne et les composants analogiques qui lui sont associés.

– La qualité du signal reçu par l’ensemble du système. Cette condition est liée à l’antenne et aux autres composants de la chaîne de réception.

– La récupération de l’information transmise. Cette condition peut être liée à l’ensemble de la réception. Mais elle peut aussi concerner uniquement la conversion analogique numérique ou encore le traitement numérique de l’information.

Afin de caractériser le comportement d’un appareil indépendamment des autres, les couplages sont nécessairement décomposés en deux sous couplage : source/environnement et environnement/victime, c’est pour cela que les normes font appel à différents types d’environnements résidentiel et commercial léger ou industriel dans la plupart des cas.

Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et/ou informatique autonome. Ses ressources disponibles sont généralement limitées. Cette limitation est souvent liée à sa taille limitée. Les systèmes embarqués font très souvent appel à l’informatique, et notamment aux systèmes temps réel.

Un système embarqué exécute des tâches prédéfinies et doit répondre à un cahier des charges contraignant. Ces contraintes peuvent être d’ordre :

– De coût. Le prix de revient doit être le plus faible possible surtout s’il est produit en grande série.

– D’espace compté, ayant un espace mémoire limité de l’ordre de quelques Giga Octets (Go) maximum. Il convient de concevoir des systèmes embarqués qui répondent au besoin le plus juste pour éviter un surcoût.

– De puissance de calcul. Il convient d’avoir la puissance de calcul juste nécessaire pour répondre aux besoins et aux contraintes temporelles de la tâche prédéfinie. Ceci a pour objectif d’éviter un surcoût de l’appareil et de réduire sa consommation d’énergie.

– De consommation énergétique la plus faible possible, due à l’utilisation de batteries et/ou de panneaux solaires voire de pile à combustible pour certains prototypes.

– Temporel, c’est-à-dire que les temps d’exécution et l’échéance temporelle d’une tâche sont déterminés à l’avance (les délais sont connus ou bornés a priori). Cette dernière contrainte fait que généralement de tels systèmes ont des propriétés temps réel.

– De sécurité et de sûreté de fonctionnement. Car s’il arrive que certains de ces systèmes embarqués subissent une défaillance, ils peuvent mettre des vies humaines en danger, ou bien encore mettre en périls des investissements importants. Ils sont alors dits « critiques » et ne doivent jamais faillir. Par « jamais faillir », il faut comprendre toujours donner des résultats justes, pertinents et ce dans les délais attendus par les utilisateurs (machines et/ou humains) desdits résultats.

Les systèmes embarqués sont la plupart du temps dans des machines qui doivent fonctionner en continu pendant de nombreuses années, sans erreurs et, dans certains cas, réparer eux même les erreurs quand elles arrivent. Les contraintes augmentent en fonction de l’importance des tâches à accomplir. En effet, les contraintes pour un avion ne sont pas les mêmes que pour un téléphone portable. Dans un avion, la sécurité des passagers ne doit jamais être menacée, elle a une priorité maximale. C’est pourquoi les équipements embarqués dans un train, un avion ou encore une automobile sont développés et testés avec plus d’attention que ceux d’un ordinateur ou d’un téléphone portable par exemple. C’est ainsi qu’entre en jeu la notion de fiabilité.

La fiabilité doit être assurée aussi bien au niveau logiciel que matériel. Au niveau matériel, un des aspects qui doit être bien maîtrisé est le problème de compatibilité entre tous les éléments constituant le système et entre chacun des éléments du système et le milieu environnant.

Du point de vu de la CEM, un bon système embarqué ne doit pas déranger ses voisins et doit être capable de supporter du bruit de leur part, ou plus généralement de l’environnement. Un système embarqué est la plupart du temps mobile. De ce fait, il peut subir des agressions de plusieurs natures. Contrairement à un système fixe, on ne peut pas privilégier un type d’agression plus qu’un autre. Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.

Nous nous intéressons en particulier aux problèmes de compatibilité électromagnétique des circuits intégrés. On s’intéresse à leur émission, à leur susceptibilité et au couplage qui peut exister entre deux circuits intégrés. Dans un système embarqué, l’émission d’un circuit intégré ne doit pas être une source de perturbation ou de pollution pour un autre circuit intégré. Réciproquement, tout circuit intégré d’un système embarqué doit être capable de fonctionner correctement quel que soit l’émission des autres circuits. En somme, notre étude se rapporte surtout à la compatibilité électromagnétique à l’intérieur d’un système embarqué plutôt qu’aux problèmes de compatibilité entre deux systèmes différents.

Il existe un nombre important de sources plus ou moins perturbatrices pouvant interférer et perturber le fonctionnement des circuits intégrés ou des systèmes complexes.

Les décharges électrostatiques (ESD – Electrostatic Discharge) sont l’un des facteurs qui pourra endommager le fonctionnement d’un composant ou circuit électronique. Les ESD se produisent lorsque deux surfaces différemment chargées sont frottées l’une contre l’autre. Un phénomène se produit d’après la règle de Cohen [1-2] qui indique que lorsque deux matériaux différents sont frottés l’un contre l’autre, celui dont la constante diélectrique est la plus élevée se charge positivement. En effet, dans ce cas, l’isolant se polarise plus facilement et cède des électrons à l’autre corps. La densité de charge superficielle peut être donnée par l’équation (Eq.1.1). = 15. 10−6(  −   )(1.1).

L’impulsion électromagnétique d’origine nucléaire (IEMN) 

L’impulsion électromagnétique d’origine nucléaire (IEMN) est l’un des effets des explosions nucléaires. C’est une impulsion de très forte amplitude et de courte durée. Son temps de montée est de quelques nanosecondes et elle peut atteindre une amplitude maximale de 50 kV/m pendant une durée inférieure à 1 µs [1-7]. Elle contient des fréquences allant de 100 kHz à 10 MHz. Avec les niveaux de champ qu’elles produisent, les IEMN sont capables de brouiller des signaux ou endommager des systèmes électroniques et informatiques.
D’autres systèmes de communications peuvent être aussi l’origine de fortes perturbations, comme les antennes relais utilisées pour la radiodiffusion ou la télédiffusion, les scanners utilisés dans les bibliothèques et les aéroports, etc.
De tout ceux que l’on vient d’énumérer, on peut catégoriser les sources de perturbations électromagnétiques en deux groupes : les perturbations permanentes, comme les émetteurs radio, les radars, les bruits des moteurs électriques, etc. et les perturbations transitoires, comme la foudre, les défauts dans les lignes d’énergie, les interruptions de courant, les décharges électrostatiques, etc.
En somme, toutes ces sources génèrent des ondes électromagnétiques qui rendent les systèmes embarqués de plus en plus susceptibles.

Conséquences des perturbations sur un circuit intégré

L’effet d’une perturbation EM sur un circuit intégré dépend de sa nature et de son amplitude. Des perturbations telles que la foudre ou l’IEMN conduisent le plus souvent à la destruction des équipements. D’autres perturbations peuvent simplement modifier le comportement du composant. On s’intéressera plus à ce type de perturbation dans ce document
Dans tous les cas, une perturbation emprunte un chemin de couplage pour atteindre un composant. D’un mode de couplage à un autre, les effets d’une même perturbation sur un composant sont identiques. Dans cette partie, on décrit d’abord les différents modes de couplage et de propagation d’une perturbation, puis l’effet de cette dernière sur un circuit intégré.

Mode de couplage

On appelle couplage le processus par lequel l’énergie du perturbateur atteint la victime. Les modes de couplage peuvent être classifiés selon le type de perturbation et selon le support de propagation, par conduction (caractérisé par les courants et différences de potentiel), ou par rayonnement (caractérisé par les champs électriques, et magnétiques). La figure 1.7 illustre ces principes.
Une perturbation issue de la source de perturbation arrive à la victime de la perturbation en utilisant un mode conduit ou un mode rayonné. Nous décrivons dans la suite les principaux modes de couplage d’une perturbation électromagnétique [1-1].

Les modes de couplage conduit

Le couplage par impédance commune

C’est un couplage de type conduit. Dans un couplage par impédance commune, le dispositif perturbateur possède une impédance commune avec la victime. Aux bornes de cette impédance commune se trouve une tension générée par le courant passant dans le perturbateur. La victime subit cette tension parasite car elle est aussi connectée à cette impédance.
Exemple : deux appareils sont branchés sur le réseau 230 V : le perturbateur qui génère des tensions parasites sur la tension du réseau ; une victime qui utilise la même tension du réseau récupère aussi les tensions parasites.

Le couplage capacitif

C’est aussi un couplage de type conduit. Dans le cas d’un couplage capacitif, il existe sur le perturbateur une tension susceptible de produire des perturbations. Il existe aussi une capacité entre ce conducteur source et un autre, qui est la victime. Par cette capacité, de l’énergie électrique perturbatrice atteint la victime. On rencontre ce type de couplage dans le phénomène de diaphonie capacitive. Un conducteur appartenant au circuit perturbateur se trouve dans le même câble qu’un conducteur appartenant au circuit victime. Ces deux conducteurs étant proches, il existe une capacité entre eux, responsable du couplage. Le couplage est d’autant plus élevé que l’impédance du circuit victime est grande, du fait du pont diviseur de tension constitué de la capacité et de l’impédance de la victime.

Le couplage par champ électrique

C’est un couplage de type rayonné en champ proche. Le couplage par champ électrique est aussi appelé couplage champ à fil. C’est un champ électrique incident qui va produire une perturbation sur une victime. Remarquons qu’il est de même nature que le couplage capacitif, puisque la capacité de couplage amène des lignes de champ sur la victime. La différence ici, c’est que le perturbateur est plus éloigné. Au lieu d’identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ électrique qui en est issu. Par exemple, le champ électrique impulsionnel issu d’une bougie d’allumage de moteur atteint l’antenne d’un récepteur autoradio.

Le couplage par champ magnétique

C’est un couplage de type rayonné en champ proche. Il est aussi appelé couplage champ à boucle. Le champ magnétique issu du perturbateur traverse le circuit victime et induit dans celui-ci une tension parasite. Remarquons là aussi que ce couplage est de même nature que le couplage inductif. Au lieu d’identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ magnétique qu’il a généré comme étant la perturbation. On rencontre ce type de couplage lors d’un coup de foudre à proximité de la victime. La tension induite dans la boucle est donc importante du fait de la variation importante de l’intensité du courant, mais aussi de la rapidité de la montée de ce courant.

Le couplage par champ électromagnétique

C’est un couplage de type rayonné en champ lointain. Souvent, un perturbateur émet à la fois du champ électrique et du champ magnétique. C’est l’ensemble de ces deux champs qui atteint la victime. Cependant, même si un perturbateur n’émet au départ qu’un champ électrique, les équations de Maxwell montrent qu’à une certaine distance de cette source, un champ magnétique apparaîtra aussi, pour former une onde plane électromagnétique. Il en est de même si le perturbateur n’émet au départ qu’un champ magnétique. A hautes fréquences, c’est le mode de couplage le lus courant. La figure 1.11 illustre le principe du couplage par champ électromagnétique, dans un cas sur une boucle et dans l’autre sur un fil.

Mode de propagation de la perturbation

Lorsqu’une perturbation atteint un équipement, elle peut se propager suivant trois modes : le mode différentiel, le mode commun ou le mode antenne. Cette partie définit ces différents modes de propagation d’une perturbation électromagnétique [1-1].

Mode différentiel

Considérons deux conducteurs reliés à un équipement électrique ou électronique (Fig.1.12). On dit qu’une tension est appliquée en mode symétrique (ou différentiel) à cet équipement si une tension est présente entre ces deux conducteurs. Par exemple, la tension d’alimentation du secteur est appliquée en mode différentiel. Ou bien encore la tension présente sur une paire de fils téléphoniques. Si on considère le câble constitué par l’ensemble des deux conducteurs, la somme algébrique des courants dans ce câble est nulle, puisqu’il y a un courant « aller » dans le premier conducteur, et un courant « retour » de même intensité, mais opposé, dans le second conducteur. Pour éviter les problèmes de CEM, il suffit que les deux conducteurs soient suffisamment proches, cela évite de créer une boucle de surface trop grande.

Mode commun

La propagation d’une perturbation en mode commun est considérée comme le principal problème de la CEM. Considérons un câble constitué de plusieurs conducteurs, connecté à un équipement électrique ou électronique (Fig.1.13). Un champ électromagnétique extérieur induit un courant parasite dans l’ensemble des conducteurs de ce câble. Les courants induits sont en phase dans tous les conducteurs du câble. Il n’y a aucun conducteur de retour de ce courant dans le câble. Etant donné qu’un courant parcourt un circuit fermé. Le chemin de retour de ce courant risque d’être extérieur au câble, à savoir :
– D’autres câbles de l’appareil, s’ils en existent.
– Un conducteur de « terre », s’il en existe.
– La capacité entre l’appareil et la « terre ».
Ce courant est dit « de mode commun ». Dans les systèmes complexes, on trouve souvent un plan de masse commun aux différents appareils. On peut dans ce cas réduire les perturbations de mode commun en maintenant les câbles d’entrée le plus près possible du plan de masse du système, afin de réduire la surface de la boucle de mode commun.