Résoudre les problèmes de CEM au niveau des PCB avec Ansys SIwave

Picture of Steffen Seewald Steffen Seewald 15.07.2024

Electromagnétisme Articles techniques

Tout appareil électronique doit être certifié en mesurant sa compatibilité électromagnétique (CEM) auprès d'un organisme de test avant d'être mis sur le marché. Lors des mesures, les valeurs limites de rayonnement électromagnétique définies dans les normes de test (par ex. CISPR [EMCSTD]) sont régulièrement dépassées. Cela est souvent dû à des structures semblables à des antennes sur le circuit imprimé (PCB) de l'appareil.

Que sont les structures ressemblant à des antennes sur le PCB ?

Tout le monde peut se faire une idée du terme "antenne". Les antennes ont pour fonction de recevoir des signaux à haute fréquence de l'environnement - à nouveau émis par des antennes du côté de l'émetteur - afin de les transmettre à l'électronique connectée pour le traitement du signal. Il suffit de penser à l'antenne à tige classique que l'on peut encore admirer sur certains toits de voiture. Le bâton lui-même agit comme une structure résonante pour les courants à haute fréquence, qui y forment une onde stationnaire. Les courants excitent des ondes électromagnétiques qui sont émises dans l'environnement. En cas de réception, les ondes excitent des courants sur la tige. L'antenne est un système réciproque. On peut se demander où se trouve une telle tige résonnante dans un système d'émission évident comme le smartphone. Qu'est-ce qui détermine la forme et les dimensions d'une antenne ?

Autrefois, les antennes étaient généralement de grandes structures. Même les premiers téléphones portables avaient de petites antennes à tige sur les côtés. Cela nous donne une indication sur le fait que la taille géométrique joue un rôle central dans les propriétés de rayonnement. En règle générale, plus l'antenne est longue, plus sa fréquence de résonance, à laquelle elle a un potentiel de rayonnement particulièrement élevé, est basse. Il existe d'autres facteurs, comme les inductances montées en série avec les bras de l'antenne ou les capacités parallèles. Les concepteurs d'antennes les exploitent habilement pour tuner les antennes et les rendre plus petites, ce qui permet de les intégrer facilement dans les appareils. L'antenne ne doit pas nécessairement ressembler à une tige, mais peut aussi être une structure pliée d'un conducteur électrique, comme un fil ou une surface de cuivre sur un PCB.

C'est le point crucial du layout des PCB. Sur un PCB moderne, on trouve généralement des centaines de bandes et de surfaces de cuivre, ainsi que des condensateurs et des bobines. Pourquoi l'une d'entre elles ne ferait-elle pas partie, par hasard, d'une structure d'antenne dont la fréquence de résonance se situe dans le large spectre de fréquences défini par les normes de test CEM ?

Comment trouver des structures d'antennes sur les PCB ?

Prenons l'exemple d'une section d'alimentation typique sur un circuit imprimé. On y trouve généralement un VRM (Voltage Regulator Module), souvent équipé d'un convertisseur abaisseur à commutation avec une inductance de sortie L élevée. Pour des raisons de simplicité, le VRM peut être considéré comme une source de tension idéale avec une résistance interne R_Source connectée en série. Typiquement, la tension est distribuée aux circuits intégrés (CI) à alimenter via de grandes surfaces métalliques, l'une portant la tension d'alimentation et l'autre le niveau de référence, appelé plus communément masse (GND). Ces deux surfaces correspondent à un condensateur à plaques parallèles de capacité C. Ensemble, R_Source, L et C forment un circuit oscillant parallèle, comme le montre la figure 2.

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Figure 2 : Schéma équivalent d'un réseau d'alimentation typique | © CADFEM Germany GmbH

Ce circuit oscillant (résonateur) correspond à une structure d'antenne avec des composants pour l'accord. Les grandes surfaces assument ici la fonction du barreau comme décrit dans le dernier paragraphe, en portant les courants à haute fréquence, à partir desquels se produit l'essentiel du rayonnement.

La fréquence de résonance de ce circuit oscillant parallèle est d'environ f_res=1 ⁄((2π√LC)). On voit donc pourquoi ce sont précisément les grandes surfaces d'alimentation en tension, donc hautement capacitives, avec des inducteurs connectés qui sont critiques en termes de CEM. Les grandes valeurs de L et C poussent les résonances vers le bas, dans la plage de MHz à GHz, qui est couverte par de nombreuses normes CEM.

Si l'on mesure l'impédance d'entrée d'un tel circuit oscillant, seule la résistance interne réelle RSource est visible pour le cas continu (DC). Avec une fréquence f croissante, l'impédance va d'abord augmenter en raison de la composante inductive (Z_ind~fL) et finalement diminuer en raison de la composante capacitive (Z_cap~1 ⁄((fC)). Au total, on obtient un maximum local dans le profil d'impédance à l'endroit de la fréquence de résonance. La figure 3 montre un profil d'impédance typique, mesuré entre un réseau d'alimentation et GND à différentes positions sur le PCB. La position de la mesure a une influence sur la hauteur du maximum, mais pas sur sa fréquence. La raison de l'impédance dépendant de la position est l'onde stationnaire (répartition de la tension et du courant) le long de ces surfaces, comparable à celle d'une tige d'antenne rayonnante.

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Figure 3 : Profil d'impédance entre un réseau d'alimentation en tension et son réseau de référence GND. Les maxima locaux sont dus à des résonances | © CADFEM Germany GmbH

Comment la simulation peut-elle aider à trouver des résonances ?

La dernière section a montré que les résonances se reflètent dans le profil d'impédance mesuré. En laboratoire, il est difficile de mesurer un tel profil entre toutes les couches à différentes positions et de rendre ainsi l'onde stationnaire "visible", car les pointes de mesure ne permettent généralement d'atteindre que les couches extérieures du PCB. Avec un simulateur d'onde complète, les pointes de mesure virtuelles peuvent être placées à n'importe quelle position dans le modèle importé sous forme de données ECAD, même entre les couches internes d'un PCB multicouche. Le modèle peut contenir non seulement la structure des couches, la géométrie des pistes et des surfaces conductrices et des vias, mais aussi des composants discrets tels que R, L et C. Le modèle peut également être utilisé pour la simulation de circuits imprimés.

Les logiciels de simulation de pointe, comme Ansys SIwave [SIWAVE], offrent en outre des possibilités de visualisation des distributions de tension et de courant des résonances. Une solution en un clic permet d'analyser les résonances des PCB et de visualiser les ondes stationnaires comme point de départ du rayonnement. La figure 4 montre les distributions de tension simulées de cette manière pour les résonances marquées dans la figure 3. La connaissance de ces distributions permet de déduire des mesures appropriées pour supprimer les résonances.

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Figure 4: Profil d'impédance entre un réseau d'alimentation en tension et son réseau de référence GND. Les maxima locaux sont dus à des résonances | © CADFEM Germany GmbH

A ce stade, les résonances simulées ne sont que des sources potentielles de rayonnement. Pour que le rayonnement ait lieu, ces antennes doivent encore être alimentées par des signaux de fréquence correspondante. Pour cela, il faut d'une part des structures qui couplent le signal. Il peut s'agir de lignes de signaux qui passent à proximité de la structure résonante ou de vias qui conduisent un signal à travers les surfaces résonantes. D'autre part, les signaux guidés sur les structures de couplage doivent justement avoir une part spectrale à la fréquence de résonance. Or, cette composante est présente dans presque tous les signaux pulsés (p. ex. les séquences de bits ou les signaux d'horloge). Par conséquent, pour une conception conforme à la CEM, il convient d'exclure la seule cause de rayonnement gérable, à savoir la présence de structures d'antenne.

Approches d'optimisation à partir des résultats de simulation

La connaissance de l'apparence des antennes par la simulation fournit un bon point de départ pour les éliminer. Il existe deux approches à cet égard. D'une part, les résonances peuvent être atténuées en insérant un composant résistif (par exemple une résistance ou la résistance parasite d'un condensateur). Ainsi, la puissance serait "brûlée" dans cette résistance au lieu d'être rayonnée. Alternativement, l'antenne peut être désaccordée de manière ciblée en modifiant L ou C. Cela peut se faire en modifiant la longueur des bras de l'antenne (dans notre cas, les surfaces) en les court-circuitant électriquement. Dans le cas de surfaces de même potentiel (deux surfaces GND), le court-circuit peut être réalisé par des "stitching vias". Cela correspondrait à une réduction de l'inductance L de la boucle et augmenterait la fréquence de résonance.

Pour court-circuiter des surfaces de potentiels différents, par exemple une tension d'alimentation vers GND, il n'est pas possible d'utiliser des vias, car les surfaces ne doivent pas être reliées électriquement en DC. Dans ce cas, un court-circuit AC ne peut être réalisé que pour les composantes de fréquence plus élevées en insérant des condensateurs. Si ces derniers sont placés près des maxima de tension des modes résonants, cela supprimerait l'onde stationnaire d'où provient le rayonnement. Dans le profil de résonance, cela déplacerait les maxima correspondants vers des fréquences plus élevées en raccourcissant la longueur du résonateur, au mieux jusqu'en dehors de la plage de mesure CEM.

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Figure 5 : Les résonances peuvent être éliminées par désaccordage (detuning) au moyen de condensateurs (en bleu) ou également par amortissement (en rouge) | © CADFEM Germany GmbH

La figure 5 montre l'influence des deux variantes (désaccord et amortissement) sur le profil de résonance. Dans le cas de la courbe bleue, le maximum correspondant a été déplacé vers une fréquence plus élevée. Le profil d'impédance global est alors modifié, car le court-circuitage a un effet différent sur toutes les résonances et influence également leurs répartitions de tension et de courant, qui ont pourtant été mesurées au même point. En cas d'atténuation par l'insertion d'une résistance (courbe rouge), tous les maxima sont légèrement atténués, mais leur position sur l'axe des fréquences ne change pas.

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Figure 6 : Intensité de champ E maximale simulée à 3 mètres de distance, avant et après désaccord et atténuation des résonances étudiées. L'excitation a été réglée à 1 V, indépendamment de la fréquence | © CADFEM Germany GmbH

La figure 6 montre l'intensité de champ électrique simulée (valeur maximale dans toutes les directions de l'espace) dans le champ lointain (rayonnement). Les valeurs accrues de l'intensité de champ sont dues aux résonances qui ont été excitées dans la simulation avec 1 volt indépendamment de la fréquence (spectre constant). Les positions des maxima correspondent à peu près aux fréquences de résonance simulées précédemment dans la figure 3. Les deux modes au-dessus de 1 GHz, en particulier, contribuent fortement au rayonnement. L'approche d'optimisation décrite dans le dernier paragraphe permet de réduire considérablement le rayonnement et donc l'intensité de champ mesurée.

Les normes de test CEM fixent des valeurs limites pour cette intensité de champ électrique, qui est déterminée à l'aide d'une antenne placée à une certaine distance, en fonction de la norme. La valeur limite à respecter dépend également de la norme. Il en existe de nombreuses pour de nombreuses applications différentes, par exemple pour les appareils ménagers [EMCSTD], l'électronique grand public ou encore les appareils industriels ou médicaux [CISPR], pour n'en citer qu'une petite partie. Mais ce qu'elles ont toutes en commun, c'est que les intensités de champ maximales, comme le montre la figure 6, entraînent l'échec des essais CEM pour presque toutes les normes.

Dans cet article, nous avons montré une approche permettant d'obtenir, à l'aide de la simulation, des connaissances sur les résonances sur un PCB, qui sont à l'origine du rayonnement. Cette connaissance permet de prendre des contre-mesures ciblées pour supprimer les résonances et donc le rayonnement, dont deux approches ont été présentées ici. La simulation et l'optimisation peuvent être réalisées en même temps que la conception, ce qui permet d'éviter des cycles de fabrication coûteux en temps et en argent. En ce qui concerne la conception conforme à la CEM, cette approche suit la devise "mieux vaut prévenir que guérir".

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Auteur

Steffen Seewald

CAE Engineer

+49 (0)8092 7005-882
sseewald@cadfem.de

Éditorial

Dr.-Ing. Marold Moosrainer

Head of Professional Development

+49 (0)8092 7005-45
mmoosrainer@cadfem.de

Références
[EMCSTD] Electromagnetic compatibility – Requirements for household appliances, electric tools and similar apparatus, Part 1: Emission, International Standard CISPR 14-1, Edition 7.0, September 2020.
[SIWAVE] www.cadfem.net/de/en/our-solutions/ansys-simulation-software-the-product-family/ansys-electromagnetics/ansys-siwave.html
[CISPR] International Standard CISPR 11: Industrial, scientific and medical equipment – Radio-frequency disturbance characteristics – Limits and methods of measurement, Edition 6.0, June 2015.