Recommandations de conception pour améliorer les normes CEM

La CEM mesure la capacité d'un appareil à fonctionner comme prévu dans son environnement d'utilisation partagé, tout en permettant aux autres équipements de ce même environnement de fonctionner normalement. L'évaluation de la réaction d'un appareil lorsqu'il est exposé à une énergie électromagnétique constitue un volet de cette démarche, appelé essai d'immunité ou de susceptibilité. La mesure des interférences électromagnétiques (EMI) générées par les systèmes électriques internes de l'appareil, appelée essai d'émissions, en constitue un autre.

Ces deux aspects de la CEM sont des considérations essentielles de conception et d'ingénierie pour tout système. Une mauvaise anticipation de la CEM d'un appareil peut entraîner plusieurs conséquences négatives, notamment des risques de sécurité, une défaillance du produit et une perte de données. C'est pourquoi une large gamme d'équipements d'essai CEM et EMI a été développée afin de donner aux ingénieurs une vision plus précise du fonctionnement d'un appareil dans des conditions réelles.

Importance de la CEM: elle garantit que les appareils fonctionnent sans être perturbés par d'autres équipements et qu'ils ne perturbent pas eux-mêmes leur environnement.

Besoin croissant: avec la complexité et l'interconnexion croissantes des appareils, la CEM est essentielle à la conformité et au bon fonctionnement.

1.    Qu'est-ce que la CEM?

CEM signifie compatibilité électromagnétique. Tout appareil ou toute machine électronique commercialisé doit être conforme à la CEM, ce qui signifie qu'il doit respecter les réglementations et normes CEM applicables à son utilisation prévue. Les réglementations et normes CEM applicables à chaque produit sont définies par le pays dans lequel le produit est vendu, par exemple l'Union européenne ou les États-Unis.

Un produit conforme à la CEM doit respecter un ou plusieurs des points suivants:

• Ne pas interférer avec les autres appareils ou machines présents dans son environnement (émissions)
• Ne pas être perturbé par les autres appareils ou machines présents dans son environnement (immunité)
• Ne pas être perturbé ou détruit par une décharge électrostatique (ESD)
• Ne pas être perturbé ou détruit par une impulsion électromagnétique (EMP)

Un autre point peut être mentionné dans ce contexte: un produit ne doit pas s'interférer à lui-même. Ce sujet ne relève pas directement de la CEM, mais de l'intégrité du signal. Toutefois, l'intégrité du signal et la CEM sont souvent étroitement liées.

2.    CEM et EMI:

EMI signifie interférence électromagnétique. Ce terme est souvent confondu avec la CEM. Une EMI se produit lorsqu'un appareil ou une machine électronique A perturbe un autre appareil ou une autre machine électronique B situé à proximité.

Quelle est la différence entre la CEM et l'EMI? Un produit conforme à la CEM doit être soumis à des essais EMI pendant son développement. Pour un produit conforme à la CEM, les EMI ne doivent plus se produire. Cela signifie que le produit a démontré une immunité électromagnétique suffisamment élevée et des émissions électromagnétiques suffisamment faibles pour fonctionner correctement dans son environnement défini.

3.    Conformité CEM:

La conformité CEM signifie qu'un produit électronique ou électromécanique respecte les lois, directives et réglementations du pays dans lequel il est vendu. Chaque gouvernement publie d'abord ses propres réglementations CEM, sous forme de lois ou de directives. Ces réglementations nationales font souvent référence à des réglementations multinationales. Par exemple, les pays de l'Union européenne se réfèrent à la directive CEM 2014/30/UE.

Le gouvernement crée, désigne ou choisit ensuite une organisation, une commission ou un comité chargé de définir les normes CEM applicables. Ces organismes définissent les normes de manière à ce que les produits ayant réussi les essais prévus par les normes CEM applicables soient conformes aux réglementations et directives CEM.

4.    Que sont les normes CEM?

1) Que sont les normes CEM?

Les normes et standards CEM définissent les termes, les règles et les méthodes d'essai liés à la compatibilité électromagnétique. Elles spécifient également les limites et les niveaux minimaux d'essai applicables aux émissions électriques et électromagnétiques ainsi qu'à l'immunité des produits électromécaniques et électroniques.

2) Pourquoi avons-nous besoin de normes CEM?

Les normes CEM rendent les mesures comparables et reproductibles en définissant les méthodes d'essai, les équipements d'essai et l'environnement de test. Plus important encore, elles visent à harmoniser les essais CEM, idéalement à l'échelle mondiale. Cette harmonisation réduit les barrières commerciales et contribue à accroître la prospérité et le bien-être au niveau mondial.

3) Qui rédige les normes CEM?

Les normes CEM sont définies et rédigées par des organisations internationales, nationales ou régionales reconnues. Par exemple, l'Union européenne délègue la rédaction de certaines normes CEM au CENELEC, tandis que les organismes administratifs et réglementaires peuvent également rédiger directement les normes et réglementations CEM.

4) Quels types de normes CEM existe-t-il?

Les normes CEM sont réparties en plusieurs classes ou catégories:

Publications fondamentales CEM: elles définissent les termes et conditions des essais CEM, les règles nécessaires à l'obtention de la compatibilité électromagnétique ainsi que les méthodes d'essai, les techniques, la configuration, les équipements et l'environnement de test. Les publications fondamentales constituent les normes de référence auxquelles se rapportent les autres normes CEM, telles que les normes CEM produit et les normes CEM génériques.

Normes CEM produit: elles s'appliquent à des produits particuliers, tels que les véhicules routiers électriques ou les câbles coaxiaux.

Normes CEM de famille de produits: elles s'appliquent à un groupe de produits possédant des caractéristiques générales communes, pouvant fonctionner dans le même environnement et ayant des domaines d'application similaires.

Normes CEM génériques: elles s'appliquent aux produits fonctionnant dans un environnement CEM particulier, résidentiel ou industriel, lorsqu'il n'existe pas de norme CEM spécifique pour le produit ou sa famille.

5.    Mesurer et surveiller la CEM

Les essais d'émissions nécessitent des équipements de mesure EMI tels que des antennes de réception, des amplificateurs et des analyseurs de spectre. Utilisés ensemble, ces outils mesurent avec précision la quantité et le type de bruit généré par un appareil. Les essais peuvent être réalisés sur un site de mesure en espace libre ou dans une chambre blindée anéchoïque ou semi-anéchoïque.

Les essais d'immunité ou de susceptibilité consistent à déterminer la capacité d'un appareil à tolérer le bruit provenant de sources externes. Pour cela, il faut disposer d'outils capables de simuler et de mesurer l'énergie électromagnétique à des fréquences spécifiques. Les équipements d'essai CEM peuvent soumettre un appareil à un bruit électromagnétique sur différentes fréquences, simuler une surtension ou évaluer l'efficacité de son alimentation. En définitive, la nature de l'appareil, son application prévue et les exigences réglementaires déterminent le type d'équipement d'essai nécessaire.

6.    Recommandations de conception pour améliorer la CEM:

        1.    Réduire les surfaces de boucle

        2.    Ne pas segmenter, interrompre ni découper le plan de retour des signaux

        3.    Ne pas placer de circuits haute vitesse entre les connecteurs

        4.    Contrôler les temps de transition des signaux

Règle n°1: réduire les surfaces de boucle

Cette règle simple figure dans presque toutes les listes de recommandations CEM, mais elle est souvent ignorée ou compromise au profit d'autres recommandations. Le concepteur de la carte ne sait parfois même pas par où circulent les courants de signal. Les concepteurs de circuits numériques pensent souvent aux signaux en termes de tension. Les ingénieurs de l'intégrité du signal et de la CEM doivent les considérer en termes de courant.

Tout bon concepteur de circuits doit connaître deux points concernant les courants de signal:

      1.    Les courants de signal retournent toujours vers leur source, car les chemins de courant forment toujours des boucles

       2.    Les courants de signal suivent le ou les chemins de plus faible impédance.

À partir de quelques mégahertz, les chemins des courants de signal sont relativement faciles à identifier. À haute fréquence, le chemin de plus faible impédance est généralement celui de plus faible inductance, qui est lui-même généralement celui qui minimise la surface de boucle. Les courants de retour circulent aussi près que possible du chemin du courant aller. À basse fréquence, généralement dans la gamme des kHz et en dessous, le chemin de plus faible impédance tend à être celui de plus faible résistance. Les courants basse fréquence sont plus difficiles à suivre, car ils se répartissent sur une plus grande surface. Les chemins de retour importants peuvent se trouver relativement loin du chemin du courant aller.

Règle n°2: ne pas segmenter, interrompre ni découper le plan de retour des signaux

Dans certaines situations, un espace correctement placé dans le plan de retour peut être nécessaire. Ces situations sont toutefois relativement rares et impliquent toujours la nécessité de contrôler la circulation des courants basse fréquence. La règle la plus sûre consiste à utiliser un plan continu pour le retour de tous les courants de signal. Lorsqu'un signal basse fréquence particulier risque d'être perturbé ou de perturber les circuits de la carte, utilisez une piste sur une couche séparée pour ramener ce courant vers sa source. En général, ne segmentez, n'interrompez et ne découpez jamais le plan de retour des signaux de votre carte. Si vous êtes convaincu qu'un espace est nécessaire pour éviter un problème de couplage basse fréquence, demandez conseil à un expert. Ne vous fiez pas uniquement aux recommandations de conception ou aux notes d'application et n'essayez pas de reproduire une solution qui a «fonctionné» dans une conception «similaire».

Règle n°3: ne pas placer de circuits haute vitesse entre les connecteurs

Parmi les conceptions de cartes que nous avons examinées ou évaluées en laboratoire, il s'agit de l'un des problèmes les plus fréquents. Des conceptions simples qui auraient dû satisfaire les exigences CEM sans coût ni effort supplémentaires se retrouvent souvent fortement blindées et filtrées parce qu'elles ont enfreint cette règle élémentaire.

Pourquoi l'emplacement des connecteurs est-il si important? À des fréquences inférieures à quelques centaines de mégahertz, les longueurs d'onde sont de l'ordre du mètre ou davantage. Les antennes potentielles présentes sur le circuit imprimé sont donc généralement petites électriquement et peu efficaces. En revanche, les câbles ou autres appareils connectés à la carte peuvent servir d'antennes relativement efficaces.

Les courants de signal circulant sur les pistes et retournant par des plans continus créent de faibles différences de tension entre deux points quelconques du plan. Ces différences sont généralement proportionnelles au courant qui circule dans le plan. Lorsque tous les connecteurs sont placés le long d'un même bord de la carte, la tension entre eux reste généralement négligeable. Toutefois, un circuit haute vitesse placé entre les connecteurs peut facilement créer une différence de potentiel de quelques millivolts ou davantage. Ces tensions peuvent injecter des courants dans les câbles connectés et faire dépasser au produit les limites d'émissions rayonnées.

Règle n°4: contrôler les temps de transition des signaux

Une carte fonctionnant avec une horloge de 100 MHz ne devrait jamais échouer à une exigence d'émissions rayonnées à 2 GHz. Un signal numérique correctement formé possède une puissance importante dans les harmoniques basses, mais beaucoup moins dans les harmoniques élevées. La puissance des harmoniques élevées est mieux contrôlée en ralentissant les temps de transition des signaux numériques. Des temps de transition excessivement longs peuvent cependant provoquer des problèmes d'intégrité du signal et des problèmes thermiques. Il faut donc trouver un compromis entre ces exigences concurrentes. Un temps de transition représentant environ 20% de la période binaire produit une forme d'onde suffisamment propre tout en limitant les problèmes de diaphonie et d'émissions rayonnées. Selon l'application, les temps de transition peuvent devoir être inférieurs ou supérieurs à 20% de la période binaire, mais ils ne doivent jamais être laissés au hasard.

7.    Méthodes de contrôle des temps de montée et de descente

1. Utiliser une famille logique à vitesse de balayage contrôlée
2. Placer une résistance ou une ferrite en série avec la sortie d'un composant
3. Placer un condensateur en parallèle avec la sortie d'un composant

Le premier choix, à savoir une logique à vitesse de balayage contrôlée, est souvent l'option la plus efficace, en particulier avec une terminaison adaptée. Toutefois, la majorité des circuits logiques des cartes bien conçues présentent une terminaison capacitive. L'utilisation d'une résistance en série pour contrôler le temps de montée de ces circuits donne au concepteur un meilleur contrôle et coûte généralement moins cher. Les ferrites peuvent également être efficaces, mais elles coûtent plus cher et offrent moins de contrôle que les résistances. Les condensateurs peuvent en réalité augmenter le courant haute fréquence absorbé par le composant source et ne constituent généralement pas un choix approprié pour contrôler les temps de transition.

Il n'est jamais judicieux d'essayer de ralentir ou de filtrer un signal asymétrique en gênant la circulation du courant sur le chemin de retour. Par exemple, il ne faut jamais router volontairement une piste basse vitesse au-dessus d'un espace dans le plan de retour ni placer une ferrite sur une masse dans le but de filtrer le bruit haute fréquence.

8.    Recommandations de conception du routage de la carte:

1) Pistes:

Augmenter la largeur des pistes: des pistes plus larges réduisent les émissions rayonnées.

Éviter les angles à 90 degrés: en particulier dans les applications haute vitesse, afin de réduire les réflexions.

Tenir compte des chemins de retour du courant: pour réduire les émissions rayonnées et le couplage par impédance commune.

2) Vias:

Ajouter des vias de liaison autour des vias de signal haute vitesse: cette disposition améliore l'intégrité du plan de masse et réduit les émissions.

3) Zones:

Séparer les zones critiques et non critiques: les circuits haute fréquence et les circuits analogiques de faible niveau sont critiques.

4) Mise à la masse:

Chemin de masse direct: assurez des chemins directs et à faible impédance pour le retour du courant.

Utiliser des plans de masse: des plans de masse continus sur les couches supérieure et inférieure contribuent à blinder les couches internes.

Éviter les plans de masse segmentés: cela empêche la formation de grandes boucles et réduit les émissions.

Remplir les zones de masse: remplir les couches supérieure et inférieure du PCB avec du cuivre relié à la masse crée un chemin de retour solide pour les courants et réduit les émissions rayonnées.

Utiliser les plans de masse pour le blindage: les plans de masse continus des PCB agissent comme des blindages et séparent les signaux bruyants des signaux sensibles. Ils sont toutefois plus efficaces contre les champs électriques et les champs magnétiques haute fréquence.

5) Découplage:

Ajouter un condensateur sur chaque broche de connecteur: cela réduit les émissions rayonnées et améliore l'immunité conduite. L'ajout d'un condensateur à chaque broche d'un connecteur aide à filtrer les signaux indésirables et améliore l'immunité de l'appareil aux interférences externes.

Conclusion:

La compatibilité électromagnétique (CEM) est un aspect essentiel de la conception électronique. Elle garantit que les appareils fonctionnent correctement dans leur environnement prévu sans provoquer d'interférences ni en subir. En comprenant les principes de la CEM, notamment les émissions et l'immunité, les ingénieurs peuvent concevoir des produits conformes aux normes réglementaires et fiables dans des conditions réelles.

Le respect des normes CEM est essentiel pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI) et garantir la conformité aux réglementations nationales et internationales. Des méthodes d'essai appropriées, telles que les essais d'émissions et d'immunité, permettent d'évaluer les performances d'un appareil et d'identifier ses vulnérabilités potentielles. La mise en oeuvre de pratiques de conception orientées CEM, telles que la réduction des surfaces de boucle, l'optimisation de la mise à la masse et le contrôle des temps de transition, peut également améliorer considérablement la robustesse d'un produit face aux perturbations électromagnétiques.

À mesure que les appareils électroniques évoluent et s'intègrent à des environnements de plus en plus complexes, la CEM reste une considération essentielle pour les ingénieurs. En donnant la priorité à la conformité CEM dès les premières étapes de conception, les fabricants peuvent garantir la fiabilité des produits, l'homologation réglementaire et un fonctionnement fluide dans les écosystèmes électroniques modernes.