Développement d’une méthodologie d’investigation des non-conformités CEM basée sur la mesure champ proche en immunité et la simulation numérique en vue de la qualification des cartes électroniques

Development of an investigation methodology of EMC non-compliance based on near field measurement in immunity and numerical simulation to prepare the qualification of electronic boards

• Auteur / Autrice : André Durier
• Direction : Sonia Ben Dhia, Tristan Dubois, Fabio Coccetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Bernard Flechet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sonia Ben Dhia, Tristan Dubois, Anne Louis, Mohamed Ramdani, Etienne Sicard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Louis, Mohamed Ramdani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

Compatibilité Electromagnétique

Immunité rayonnée

Modélisation

Mesure champ proche

Sonde d'immunité

Radiated immunity

Modeling

Electro Magnetic Compatibility

Near field measurement

Immunity probe

Résumé

Le fort développement de l’électronique dans les industries de l’automobile et aéronautique a commencé dans les années 1990 par le remplacement de fonctions mécaniques ou hydrauliques par des fonctions électriques comme les commandes de vol d’un avion ou l’injection électronique dans un véhicule. Il s’est poursuivi dans les années 2000 avec l’électrification ou l’hybridation de la propulsion et s’est intensifié dans les années 2010 avec l’arrivée de fonctions d’aide à la conduite (régulateur adaptatif, détection d’obstacles,…) ou d’accessibilité et de configuration du véhicule à l’aide de son téléphone portable. La conduite autonome qu’elle soit terrestre ou aérienne est aujourd’hui avec le stockage d’énergie embarquée un enjeu majeur pour tous les industriels du secteur. La rupture n’est pas seulement technologique. Elle voit également l’émergence de nouveaux industriels non familiers aux contraintes de validation et de qualification d’équipements électroniques embarqués.La complexité et l’accroissement des fonctions rendent de plus en plus complexes les procédures nécessaires à la qualification CEM des composants et des équipements. Les temps de qualification et les risques de non-conformités CEM augmentent drastiquement alors que, pour des raisons économiques, les laboratoires certifiés sont obligés de fonctionner en 3x8 et disposent de peu de ressources qualifiées et de temps pour l’investigation rapide des problèmes durant les essais. Le coût des moyens et des personnels certifiés pour un essai normatif en RI (Radiated Immunity) ISO 11452-2 est élevé et constitue un goulot d’étranglement pour les équipementiers car les retards de planning liés à une non-conformité détectée tardivement sont économiquement pénalisants. Pour résoudre leur problème, les équipementiers ont besoin de disposer d’un moyen d’investigation en RI rapide, économique et facile d’utilisation.La méthode NFSI (Near Field Scan Immunity) est une méthode d’immunité rayonnée développée et normalisée IEC TS62132-9 pour les circuits intégrés mais également applicable pour les cartes électroniques. Elle permet la localisation spatiale de défauts fonctionnels provoqués par un champ électrique et/ou magnétique généré par une sonde placée en zone de champ proche électromagnétique du composant. Les sondes d’immunité existantes ne sont pas adaptées à de l’investigation rapide sur des PCB (Printed Circuit Board). Leur très forte résolution spatiale permettant de provoquer des défauts à l’échelle d’un circuit intégré est un inconvénient en terme de temps de mesure et leur géométrie ne leur permet pas de se coupler fortement sur une piste de PCB. Une gamme de sondes d’immunité spécifiquement adaptées à la l’investigation rapide sur PCB a été développée. Elles couvrent des surfaces de 1 à 2 cm², génèrent un fort champ magnétique avec peu de puissance et présentent un facteur de couplage entre -40 et -25 dB sur une gamme de fréquences étendue de 200 MHz à 3 GHz.Si ces sondes permettent facilement de reproduire au niveau d’un PCB les défauts observés lors d’un essai en RI, le principal problème est de corréler les mesures NFSi et RI afin de prédire un niveau d’immunité en champ lointain à partir d’une mesure en champ proche. Le problème réside principalement dans la prise en compte des résonances du faisceau électrique visibles sur une mesure RI mais non reproduites en NFSi. A partir de mesures RI et NFSi effectuées sur des démonstrateurs, une méthodologie a été développée pour la prédiction du niveau d’immunité en RI d’un équipement dans le cas de reprise de conception de PCB liés notamment au problème d’obsolescence ou de double source des composants. Cette méthodologie est également applicable à une nouvelle conception en utilisant les résultats d’une simulation numérique basée sur le modèle de Taylor.

The strong development of electronics in the automotive and aeronautical industries began in the 1990s with the replacement of mechanical or hydraulic functions with electrical functions such as flight controls or electronic injection into a vehicle. It continued in the 2000s with the electrification or hybridization of propulsion and intensified in the 2010s with the arrival of functions of driving assistance (adaptive cruise control, obstacle detection,...) or accessibility and configuration of the vehicle using its mobile phone. Autonomous driving, whether land or air, is with on-board energy storage now a major challenge for all industries in the sector. The disruption is not just technological. It also sees the emergence of new industrialists unfamiliar with the constraints of validation and qualification of on-board electronic equipment.The complexity and increasing number of functions make more and more complex the procedures necessary to qualify components and equipment for CEM. Qualification times and the risk of CEM non-compliance increase dramatically while, for economic reasons, certified laboratories are required to operate in 3 shifts and have few qualified resources and time for rapid investigation of problems during testing. The cost of means and certified personnel for a normative test in Radiated Immunity (RI) ISO 11452-2 is high and constitutes a bottleneck for OEMs because planning delays due to late-detected non-compliance are economically penalizing. To solve their problem, OEMs need a quick, economical and easy-to-use RI investigative system.The Near Field Scan Immunity (NFSI) method is a radiated immunity method developed and standardized IEC TS62132-9 for integrated circuits but also applicable for electronic boards. It allows the spatial location of functional defects caused by an electric and/or magnetic field generated by a probe placed in the components near electromagnetic field zone. Existing immunity probes are not suitable for rapid investigation of PCB (Printed Circuit Board). Their very high spatial resolution to cause defects at the scale of an integrated circuit is a drawback in terms of measurement time and their geometry does not allow them to strongly couple on a PCB track. To solve this point, we have specified and designed a range of immunity probes specifically adapted to rapid investigation on PCB. They cover surfaces of 1 to 2 cm², generate a strong magnetic field with little power and have a coupling factor between -40 and -25 dB over an extended frequency range of 200 MHz to 3 GHz.While these probes make it easy to reproduce at the PCB level the defects observed in a RI test, the main problem is to correlate NFSi and RI measurements to predict a level of far field radiated immunity level from a near field measurement. Based on RI and NFSi measurements performed on demonstrators, we have developed a methodology to take in account in the NFSi measurement the resonances of the electrical harness. This methodology allows the prediction of the level of Radiated Immunity of an equipment in the case of PCB redesign due to the problem of components obsolescence or double sourcing. From an existing RI measurement performed on original version of a PCB and NFSi measurement performed at constant power on original and modified PCB versions, the methodology allows a prediction of the radiated immunity level of modified version. This methodology is also applicable to a new design when no RI measurement is available for the original version using the results of a numerical simulation based on the Taylor’s model.