RESUME
La gestion de câblage embarqué au sein d'un
véhicule automobile ne dépend pas que des caractéristiques
des câbles. Les puissances véhiculées par ces câbles
doivent également être prises en compte. L'environnement joue un
rôle prépondérant. À cette problématique, on
doit ajouter que les sources de perturbations embarquées sont souvent
très différentes ainsi que le spectre des puissances
associées. Les solutions préventives à préconiser
dépendent ainsi d'une multitude de facteurs. La prédiction des
perturbations EM1 est donc une étape primordiale dans
l'objectif par exemple de respect des normes en vigueur.
Exemple traité dans le cadre de cet article associe un
système de câblage électronique embarqué à
une source de perturbations EM qui est un convertisseur électronique de
puissance DC-DC (Hacheur).
Cet article s'intéresse à la propagation des
perturbations EM de la source vers le câblage en prenant en compte le
filtre de convertisseur. Une évaluation des émissions
rayonnées est effectuée en régime fréquentiel et
une comparaison avec des mesures en champ proche est réalisée.
Pour terminer, nous effectuons à l'aide la méthode PEEC une
prédiction des perturbations dans le domaine temporel en s'appuyant sur
l'analyse fréquentielle.
Mots clés : Méthode PEEC,
modélisation, prédiction des émissions rayonnées,
système des câblages électroniques embarqué.
1 EM : Electromagnétique
I. INTRODUCTION
La part de l'électronique dans les systèmes
embarqués (automobile, aéronautique, spatial...) ne cesse de
croitre. Soutenue par sa forte intégration, cette électronique
apporte davantage de performances et permet d'offrir des solutions à
l'exigence, entre autres, de sécurité et de confort. Mais, une
telle évolution rapide nécessite une prise en compte de tout
phénomène marginal pouvant nuire au bon fonctionnement des
systèmes électroniques. Au même titre que la gestion de la
thermique ou la gestion des contraintes mécaniques,
l'interférence électromagnétique est devenue un
phénomène à risque de très grande importance pour
tout système de l'électronique de signal ou de puissance. On
parle alors d'un souci de compatibilité électromagnétique
(CEM) auquel les industriels se trouvent confrontés.
La CEM telle que définie dans les normes
européennes [1] [2] est « l'aptitude d'un appareil ou d'un
système à fonctionner dans son environnement
électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire
lui-même des perturbations électromagnétiques
intolérables pour les équipements situés dans cet
environnement ». Ainsi, la CEM se doit de participer à la
conception et l'intégration de l'électronique. Une étude
CEM valable doit traiter et résoudre ces deux principaux aspects qui
sont :
- L'Émission : les systèmes ne doivent pas
émettre des perturbations électromagnétiques
gênantes pour leur environnement.
- L'Immunité : les systèmes doivent être
capables de fonctionner dans leur environnement EM.
Nous notons qu'en automobile, les termes usuels pour
désigner ces deux aspects de la CEM sont respectivement le mutisme (pour
l'émission) et la susceptibilité (pour l'immunité).
Afin de limiter le risque d'interférence EM avec
d'autres appareils et en particulier avec ceux de contrôle, il est
nécessaire de prédire, en premier, les émissions EM
générées et ensuite limiter les perturbations nuisibles au
fonctionnement et à la sureté du système global. Donc, il
est nécessaire de prédire les émissions conduites et
rayonnées des câbles qui sont, par leurs grandes tailles, un
risque EM potentiel pour les systèmes électroniques autour.
Dans ce contexte, plusieurs préconisations CEM peuvent
être prises en compte. Une préconisation inévitable
nécessite de séparer les câbles de puissance de ceux de
commande. Même, si on peut considérer diminuer le risque CEM sur
les câbles de transmissions de données, le risque CEM surtout pour
les systèmes radioélectriques demeure élevé puisque
les perturbations rayonnées atteignent même les systèmes se
trouvant à quelques dizaines de mètres avec des niveaux de
puissance menaçants. Ces niveaux de puissance dépendant des
fréquences et de la distance par rapport au système de
câblage sont définis par les normes CEM en vigueur.
Une autre solution, intéressante et très
répandue dans l'industrie des systèmes électroniques
embarqués, est le filtrage CEM. En effet, un filtre CEM permet
d'empêcher la propagation des perturbations vers les câbles. Les
filtres CEM sont conçus à base de composants passifs pour
éviter toute perturbation additionnelle. Notons à-propos le
coût non négligeable d'une telle solution et la difficulté
de la conception des filtres de large bande puisque les composants
dépendent beaucoup de la fréquence.
Certes, les filtres CEM permettent de limiter la propagation
des perturbations vers les câbles. Mais, cela est restreint à une
bande de fréquences plus ou moins large. Tout de même, les
perturbations risquent toujours de se propager vers les câbles. C'est
pourquoi, nous aurons besoin d'autres solutions limitant le rayonnement EM des
câbles. On parle alors de la gestion de câblage.
Une partie de la précaution CEM se passe au niveau de
la fabrication des câbles mais il reste encore le gros travail qui est
lié à la gestion des systèmes de câblage. En effet,
trouver le parcours de câblage le plus adéquat permet de limiter
le rayonnement EM et ainsi diminuer les risques CEM.
La gestion de câblage est loin de dépendre des
seules caractéristiques des câbles qui sont obtenues dès la
fabrication. Elle dépend aussi et en en majorité de
l'environnement et surtout des puissances que ce câblage véhicule.
Les sources de perturbations ne sont jamais les mêmes, leurs spectres de
puissance ne sont pas les mêmes ainsi que leurs rayonnements. Pour cela,
les solutions préventives à préconiser
dépendent fortement du type de perturbateur EM et nous
sommes obligés, pour toute source, de définir une solution
particulière.
D'une façon générale, les aspects de la
CEM, que sont l'immunité et les émissions, doivent être
maitrisés dès la phase de conception. Dans cette optique, la
présente recherche répond à ces préoccupations et
s'appuie sur la modélisation et simulation CEM ayant pour objectif de
répondre à une problématique commune des industriels dans
les applications embarquées, de favoriser l'émergence de
meilleures pratiques entre différents secteurs industriels (automobile,
aéronautique, spatial, ...) en relation avec les centres de recherches
et de développer l'excellence des individus au travers de formations et
du partage d'expérience.
Notre travail de recherche, se situant dans le contexte de la
simulation de l'émission d'un équipement avec ses interfaces,
s'intéresse surtout au rayonnement EM.
Le but final est de pouvoir prédire les
émissions rayonnées d'un système complet qui associe
à la fois l'électronique et le câblage. Les perturbations
EM générées par l'électronique sont
véhiculées via les câbles en mode conduit pour les basses
fréquences. Mais, lorsqu'on dépasse une certaine
fréquence, typiquement 30MHz, les émissions rayonnées
deviennent prépondérantes et l'analyse CEM devient de plus en
plus complexe puisque nous sommes tenus de rendre compte de tous les modes de
couplage.
D'une façon générale, les perturbations
EM rayonnées proviennent majoritairement des câbles surtout que le
rayonnement dépend énormément des dimensions des sources.
Et, puisque les câbles sont les structures les plus longues, elles sont
les meilleures antennes dans les systèmes électroniques
embarqués d'autant plus que les dimensions des circuits
électroniques sont négligeables devant celles des
câbles.
Nous sommes donc tenus de comprendre la façon dont
l'énergie se propage de la source, en l'occurrence les câbles,
vers la victime présentée par tout système de
contrôle ou systèmes travaillant avec des
télécommunications radiofréquences (RF) et à
prédire les émissions rayonnées par ces câbles.
Pour atteindre cet objectif, notre choix s'est orienté
vers une méthode de modélisation ayant la facilité de
traiter des surfaces planes ainsi que des câbles. Le choix de
l'utilisation de la méthode PEEC (PARTIAL ELEMENT EQUIVALENT CIRCUIT)
[3], se conformait aux grandes lignes tracées par le laboratoire
l'IRSEEM.
En effet, la méthode PEEC fut introduite par F.DUVAL
par le biais de ses travaux de thèse [3]. Au début, pour des
modèles BF, une modélisation sans l'effet de la propagation
était suffisante. À cause de la forte exigence d'une
montée en fréquence, la thèse d'I. Yahi fut lancée
[4] [5]. Dans ce dernier travail, l'effet capacitif représentatif de la
propagation dans les câbles a été introduit. Il a permis
une montée significative en fréquence (autour de 1 GHz). Avec
cette montée en fréquence, il apparut logique d'intégrer
le rayonnement électromagnétique.
Dans cet article, nous allons nous intéresser, dans un
premier temps, à la modélisation du rayonnement d'un prototype de
câblage reflétant les phénomènes EM entourant le
câblage automobile. Ensuite, nous allons associer notre câblage
à un convertisseur DC-DC. Cette configuration est une application de
systèmes électroniques embarqués dans lequel la
distribution de l'énergie à différents niveaux se fait
à travers des DC-DC à partir d'une batterie. Le découpage
dans le convertisseur de puissance génère des perturbations HF
qui se propagent vers une charge via le câble. Le rôle du
câble dans une telle configuration n'est pas anodin. En effet, il modifie
le spectre de perturbations et est le principal acteur du le rayonnement du
système complet.
II. DEVELOPPEMENT II.1. Modélisation
PEEC
Sans exception, les méthodes numériques de
modélisation se trouvent confrontées à des
difficultés semblables telles que la montée en fréquence,
la précision de la résolution, les couplages multi-physiques, la
complexité et la grande taille des systèmes etc.
Les diverses méthodes permettent, d'une façon ou
d'une autre, la résolution des équations de Maxwell. Ce qui
diffère entre elles est la manière dont on pose le
problème électromagnétique. On peut distinguer deux
principales catégories : les méthodes basées sur les
équations différentielles et les méthodes basées
sur les équations intégrales.
Bien que les méthodes aux équations
différentielles soient les plus développées, à
l'image de la méthode des éléments Finis (MEF), et
qu'elles traitent les systèmes les plus complexes, elles ne sont pas
adaptées aux systèmes de grandes tailles tels que les
systèmes de câblage. En effet, ces derniers systèmes
nécessitent une discrétisation très fine.
Dans le contexte du câblage, notre choix s'oriente vers
une méthode aux équations intégrales qui est la
méthode PEEC. Par sa formulation intégrale et par sa
possibilité de décrire les phénomènes EM sous forme
de circuit équivalent, la méthode PEEC semble la mieux
placée pour l'étude de câblage dans son environnement
électrique. En effet, elle a été introduite dans plusieurs
applications d'électronique de puissance dans lesquelles on associait le
modèle des circuits imprimés (PCB, Printed Circuit Board)[6][7],
du bus bar [8][9], des plans de masse ou des interconnexions [10] obtenus par
PEEC aux modèles des circuits électroniques actifs (transistors
de commutation) ou passifs (RLC). Aussi, elle a été
utilisée pour la modélisation des antennes [11]. Cependant,
l'effet capacitif comme décrit dans la méthode PEEC
conventionnelle rend la modélisation très exigeante en temps de
calcul. Dans ce chapitre, nous présentons dans un premier temps la
méthode PEEC conventionnelle [12], puis la nouvelle considération
de l'effet capacitif introduite dans [4] et [5].
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