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19- CEM des entrées/sorties , le mode commun.

Nous abordons ici la protection CEM des entrées et sorties des cartes,  en apportant en particulier des précisions pour les cartes traitant des fréquences élevées, comme les cartes radiofréquences.  Le foisonnement des émissions sur des fréquences de plus en plus hautes exige  maintenant de traiter ces fréquences.     

Ne sont  abordées ici ni les questions de sécurité, ni  la protection contre les perturbations destructrices: écrêteurs, transils, iemn...  

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En CEM, lorsqu'on envisage les perturbations qu'une carte apporte à son environnement, ou la protection d'une carte contre les perturbations, on pense immédiatement aux blindages, boîtiers et châssis métalliques...  Or, blinder une carte ne suffit pas, les perturbations sont généralement apportées par les conducteurs entrant sur la carte , ce sont essentiellement les perturbations dites par « mode commun » , qui sont les problèmes essentiels de la CEM.

Nous parlerons de « rayonnement » lorsque l’appareil rayonnera des signaux perturbateurs vers l’extérieur. Il s'agit des amplificateurs de puissance RF, mais aussi des circuits de commutations rapides : alimentations à découpage, circuits logiques rapides.

Nous parlerons de « susceptibilité » lorsqu’ un appareil peut être perturbé par un rayonnement extérieur. Les fonctions les plus susceptibles sont les amplis RF bas niveau , comme les récepteurs radio. Mais on constatera aussi que les amplis audio bas niveau sont sensibles aux champs RF, par non linéarité des jonctions.

S'il est conseillé de traiter localement ces problèmes, nous verrons qu'il est toujours nécessaire de les traiter aussi globalement au niveau de la carte : Routage des entrées sorties et blindage de la carte.

Dans le Chapitre 9 « mesures en RF », nous donnons des méthodes pour tester un appareil en  émission rayonnée, susceptibilité rayonnée, émission conduite, etc.....

Mode symétrique (ou différentiel) et mode commun :

Mode symétrique ou différentiel :

Lorsque un signal « utile » arrive ou sort d’une carte électronique, ce signal est amené par deux conducteurs, le conducteur aller et le conducteur retour. Par exemple : l’alimentation, une ligne téléphonique, ou encore un câble coaxial. Les deux conducteurs sont proches, donc les champs induits vers l’extérieur se compensent...De même, les champs extérieurs induisent dans ce circuit des tensions opposées qui se compensent. Ce sont les conditions idéales, peu de rayonnement et peu de sensibilité (susceptibilité) au monde extérieur.

Petite remarque : Le câble coaxial est une ligne "asymétrique". A l'intérieur d'un câble coaxial, le courant "aller" ( par convention) passe par l'âme, et le courant retour passe sur la surface intérieure du blindage du câble. Pourtant, il ne s'agit pas du "mode commun" : Pour un câble coaxial, le "mode commun", c'est le courant qui circule sur la surface extérieure du blindage...

Une autre remarque : Tension ou courant de mode commun? Nous raisonnons souvent avec les courants, mais évidemment ils sont créés par les tensions....Tensions et courants sont liés. Il se trouve que les phénomènes sont souvent plus faciles à comprendre en parlant de courant...

Un  principe fondamental de la CEM: Un courant de mode commun induit sur les câbles  et qui  va vers un appareil  cherche toujours le chemin le plus court pour arriver sur la surface extérieure conductrice de l'appareil. C'est à nous de l'y aider en lui évitant de passer dans la carte. 

Tout ce que vous aller lire tend vers ce but......

Et si plusieurs câbles sont connectés à l'appareil ?

Les courants de mode commun auront tendance à aller d'un câble à l'autre , en traversant la carte !!  ( d'où l'intérêt d'avoir si possible toutes les entrées sorties  sur un même côté de la carte) .  Il faudra donc traiter les  entrées de chaque câbles , en bloquant les courants de mode commun  ou en les dérivant vers la surface extérieure du boîtier...

Comment s'induisent les perturbations de mode commun ?

Considérons la figure ci-dessous montrant comment le câble d'un appareil va être soumis à ce genre de perturbations.

Nous voyons sous le câble une "boucle" d'autant plus grande que le câble sera éloigné de la masse située en dessous. Un champ électromagnétique présent autour du câble va induire dans cette boucle des tensions et courants de mode commun d'autant plus importants que le câble sera éloigné de la masse....Le but de la protection CEM, ce sera d'empêcher ces courants d'entrer sur la carte.

Si l'appareil fait partie d'un ensemble sur châssis, sa masse sera généralement reliée au châssis....On pourrait naïvement penser qu'il suffit de ne pas réunir l'appareil au châssis pour empêcher le courant de circuler dans la "boucle"....Mais ce serait oublier la capacité de l'appareil par rapport au châssis. Et même si l'appareil est loin de toute masse, il possède une capacité propre largement suffisante pour ouvrir la voie aux courants en VHF et UHF...

Et souvent, il n'y a pas de masse ou de châssis contre lequel "plaquer" le câble ....Nous n'aurons alors aucun moyen d'empêcher cette induction parasite sur l'ensemble des conducteurs du câble.....

Des illusions dont il faut se débarrasser:

1- La "boucle" est un modèle qui ne sert que pour les fréquences basses ..En UHF, il ne faut considérer que le champ autour du câble...Il y aura moins de courant induit dans le câble si celui-ci est "plaqué" contre une masse conductrice.

2- Certains vont parler de "prise de terre". Là, il faut être clair, la mise à la terre peut être utile pour des questions de sécurité, mais elle n'a aucune influence aux fréquences de plusieurs dizaines de MHz...Pour s'en convaincre, il suffit de se rappeler qu'un conducteur d'une vingtaine de cm présente une impédance supérieure à 100 ohms à 400 MHz....Alors, que peut faire un conducteur de plusieurs mètres qui va "à la terre"?

3- Aux fréquences UHF, il est presque toujours préférable de considérer que la masse de la carte ( équipotentielle de l'électronique) et la masse du boitier sont identiques, d'où l'intérêt de les relier au plus court .

La carte peut être perturbée ...Ou perturbatrice.

Si les courants de mode commun entrent sur la carte, nous aurons des problèmes de susceptibilité CEM.

Mais notre appareil créera aussi des problèmes à d'autres, si la carte est le siège de signaux rapides , et si ces signaux sortent par le câble et sont rayonnés : Le but de la CEM, c’est donc d’empêcher les courants de mode commun d’entrer sur la carte, et d'empêcher les courants présents sur la carte, de sortir par les câbles "en mode commun".

Si la carte est protégée en susceptibilité, elle le sera souvent aussi en rayonnement : les solutions pour éviter les problèmes de CEM sont souvent les mêmes dans les deux sens….Pour concevoir la protection, on peut donc raisonner dans le sens qu’on désire. Nous allons ci-dessous raisonner dans le sens extérieur vers carte ( susceptibilité) .

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Le trajet du courant de mode commun :

Un exemple de carte dans son boîtier métallique...ou comment dévier vers l'extérieur le courant de mode commun....

Pour éviter ces courants de mode commun, il faudra donc considérer avec attention les entrées/sorties de la carte. La carte peut être unique. Dans ce cas, les entrées sorties seront les entrées sorties extérieures à l'appareil considéré. Essayons de voir par un exemple, qui peut être une alimentation,   quel chemin ces courants vont emprunter dans le boîtier pour ressortir, car ils vont ressortir!

Considérons la figure ci-dessous : un courant de mode commun ( en rouge) qui entre par un conducteur extérieur. Voici par exemple le chemin qu’il va parcourir pour ressortir :

Le courant passe par le connecteur, puis passe sur une piste qui mène à un condensateur de découplage, puis la piste mène à un via qui va faire passer le courant dans la couche de masse sous la carte. Le courant va alors arriver à une liaison carte – châssis (colonnette…) . Puis il va circuler à la surface intérieure du boitier jusqu’à ressortir par l’ouverture d’accès du câble, puis enfin le courant de mode commun va circuler à la surface extérieure du boîtier. (Le courant RF ne traverse JAMAIS la paroi.)

Si nous permettons au courant de mode commun d’entrer sur la carte, il va parcourir ainsi une sorte de boucle qui rayonne dans le boîtier…. il va circuler aussi dans la masse, donc y produire des tensions parasites , etc…

Il faudra donc réduire au maximum le trajet que nous venons de décrire :

• -Connecteur très proche de l’ouverture du boitier
• -Condensateur de découplage très proche du connecteur,
• -Via de masse très proche du condensateur
• -Colonnette de liaison au châssis très proche du via de masse.
• -Retour vers l’ouverture le plus court possible.

Bien sur, rappelons que le  condensateur de découplage doit être connecté au plus près de la piste qu'il découple , comme indiqué ci-dessous :

...

La boucle à l'intérieur du blindage est souvent difficile à réduire ( dimension des connecteurs, position des colonnettes de contact, etc....) Pour éviter cette boucle à l'intérieur du blindage, l'idéal, ce serait de disposer un condensateur de découplage entre les conducteurs et le châssis, au niveau du passage d'entrée ces conducteurs dans le châssis. Mais c'est souvent difficile à réaliser mécaniquement ....

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Par contre, dévier le mode commun par un découplage sur la carte est efficace si les fréquences ne dépassent pas quelques dizaines de MHz.....En effet, à plusieurs centaines de MHz et au delà, cette boucle à l'intérieur du boîtier, si petite soit-elle rayonnera dans celui-ci... Donc, plutôt que de laisser  entrer   les courants de mode commun , on va préférer les bloquer dès l'entrée, grâce à une impédance série très proche de l'ouverture. Il faudra traiter ainsi TOUTES les connexions d'entrée....Y compris la masse si ce conducteur entre dans le boîtier sans être en contact avec le boîtier au niveau de l'ouverture. 

L'impédance série peut- être une résistance de quelques centaines d'ohms, si le signal transporté l'autorise. Si on ne veut pas de chute de tension, pour les alimentations, par exemple, on utilisera une inductance CMS ou des "beads" à ferrite, en s'assurant qu'elle supporte le courant demandé...

Dans ce cas, la partie du conducteur qui entre dans le boitier, qui va jusqu'au composant d'arrêt, doit très être courte, bien inférieure au quart d'onde de la fréquence la plus élevée impliquée. Un conducteur "en l'air" qui entre dans le boitier peut créer un problème de "tension" de mode commun et rayonner dans le boîtier....Même si en UHF, les problèmes de "tensions" de mode commun sont moins souvent observés.

Il faudra être vigilant à ce problème si on est obligé de placer un connecteur sur la carte....

Cette impédance d'arrêt placée dès l'entrée ne pourra pas bloquer les fréquences les plus basses , car un faudrait des inductances grandes......Il est donc conseillé de placer derrière, côté carte, un condensateur de découplage , voire un circuit en Té passe bas, et on tiendra compte de ce qui est dit plus haut pour ce découplage : trajet court du signal jusqu'à la sortie....

On voit qu'il est souvent difficile de bloquer les fréquences basses ( moins de 30 MHz) par une impédance série , et qu'il est difficile de dériver vers l'extérieur par un découplage,  les fréquence élevées.

La solution courante, c'est donc un mix des deux , c'est le circuit en L : entrée immédiate par une impédance série, pour bloquer les fréquences élevées, et derrière, capacité à la masse pour dériver les fréquences plus basses et le résidu des fréquences élevées.

On trouvera dans le commerce des composants filtre en té prévus à cet effet......

Il existe des composants de découplage prévus pour cela: Un boîtier CMS comprend un circuit en Té , composé de deux ferrites et d'une capacité centrale à mettre à la masse . Ce filtre en Té est plus intéressant qu'un filtre en pi, car il vaut mieux arriver sur une impédance série...puisqu'on a vu qu'au niveau de la carte, il vaut mieux bloquer les fréquences élevées, plutôt que les dériver vers la masse .

Ce composant CMS de filtre peut être placé aussi à l'entrée des blindages présents sur la carte , en s'assurant qu'il n'agit pas sur les signaux utiles.... 

Et pour les signaux utiles très rapides? 

Cette technique « blocage / découplage » que nous venons de voir ne marche que si les signaux utiles véhiculés par ces connections sont de fréquences plus basses que les perturbations CEM . Pour les signaux utiles très rapides, RF ou numériques, il ne sera pas possible de placer une impédance série, car elle bloquerait ces signaux utiles

Mais la solution classique efficace consiste à amener ces signaux rapides à l’aide d’un câble blindé, ou un  câble coaxial.

Comme les courants de mode commun circulent à la surface extérieure du blindage, il suffit d’avoir un contact entre le blindage du câble et le boîtier au niveau du passage du câble. Le courant de mode commun passe alors directement à la surface extérieure du boîtier sans pénétrer à l’intérieur de celui-ci ...

On peut aussi traiter de cette façon un câble multiconducteur blindé : le blindage sera mis à la masse au niveau de l'entrée dans le boîtier...

Entrées /sorties de la RF :

Les signaux RF sont un exemple de signaux très rapides...

A l'extérieur de la carte, ces signaux RF sont amenés par des câbles coaxiaux . Le courant de retour dans un câble coaxial circule normalement à la surface intérieure du blindage du câble, en mode symétrique... Ici, le phénomène de courants de mode commun va se traduire par un courant circulant à la surface extérieure du câble coaxial , c'est le "courant de gaine".

Nous devons redouter le courant de gaine. Un tel courant transforme les câbles en antenne , avec tous les problèmes qui peuvent en découler : auto-oscillation de amplis RF à fort gain, CEM, etc...

Pour l'éviter, il faudra que la masse du connecteur coaxial ait une liaison à la masse de la carte aussi courte que possible. Si le connecteur n'est pas côté plan de masse, il faudra plusieurs vias de masse pour réaliser ce contact .

Par ailleurs, si la carte est dans un boîtier blindé, ou dans un châssis, , il faudra que le blindage du câble soit en contact avec le boîtier au niveau de son entrée dans celui-ci. De cette façon, le courant de mode commun ( en orange ci-contre) circulant à la surface extérieure du câble coaxial sera directement dérivé vers la surface extérieure du boîtier, et l'entrera pas dans le boîtier.

En rouge, le courant "utile" circulant à l'intérieur du coaxial, avec son courant de retour à la surface intérieure....

Question : le câble coaxial est-il un blindage parfait ?

Cela dépend de de sa qualité ....Plus la tresse sera serrée, mieux ce sera.  Les câbles coaxiaux semi-rig

ides sont excellents.  Si la surface extérieure est parcourue par un courant de mode commun i , il apparaîtra  dans le circuit intérieur une tension U . 

Prenons l'exemple d'un câble coaxial RG58 très classique, et de qualité très moyenne : 

On  a son impédance  de transfert  , en ohm par mètre:        Zt = 0,008 x F ,  

où F est la fréquence du mode commun , exprimée en MHz, et supérieure à 10 MHz .

Par exemple , pour un câble de longueur l = 2  mètres, un courant extérieur de  0,01 A, à F = 100 MHz, on aura une tension intérieure :

 U = Zt x i x l  donc  U =  0,008 x 100 x 0,01 x 2 =  160 mV

Mais cette formule est peu précise,  on maîtrise rarement les résonances de conducteur extérieur. Elle donne le pire des cas, en supposant  que la longueur du câble est supérieure à la demi-onde...

Autres filtrage au niveau du châssis, filtrage de l'alimentation...

Ces filtrages au niveau du châssis concernent par exemple les alimentations secteurs...

Le filtrage à ce niveau devrait permettre de filtrer le mode commun de tout le spectre concerné par les normes. En général, ce boîtier de filtrage est placé sur la paroi du châssis blindage .

Mais ces boîtiers de filtrage n'apportent pas toujours une isolation suffisante aux fréquences au delà du GHz, car souvent ni les inductances, ni les capacités, ni le câblage dans ces boitiers ne sont adaptés aux hyperfréquences.

Pour cette raison, il sera nécessaire de placer à l'entrée de la carte concernée par ces fréquences un filtrage supplémentaire, avec des inductances et des capacités ( C3, C4...) prévues pour ces fréquences UHF et plus haut.

La ferrite de blocage de mode commun sur le câble :

Dans certains cas, nous avons affaire à un appareil qui n'est pas modifiable . la solution qui nous reste, ce sera  d'enfiler "un tube de ferrite de mode commun " dans le câble juste avant son entrée dans le boîtier. Il faudra que la distance entre cette ferrite et la carte soit nettement inférieure au quart d'onde de la fréquence la plus haute qui est à craindre, car la portion entre la ferrite et la carte pourra se comporter comme une antenne !

La ferrite n'a pas d'influence sur les courants en mode symétrique circulant dans le câble.

Notons enfin qu'il existe aussi des ferrites plates de blocage du mode commun, pour câbles plats....

Si on veut renforcer la protection sur une fréquence particulière, par exemple sur un site comportant un émetteur puissant, il est intéressant de disposer deux ferrites de blocage de MC distantes d'un quart d'onde. ( voir ci-dessous) 

On peut aussi utiliser la carte pour supporter la connectique, et placer les fonctions RF dans un blindage soudé sur la carte . C'est la solution souvent employée pour les téléphones et les terminaux   portables, par exemple...

Evidemment, le blindage sera soudé au plan de masse par une multitude  de vias, distants de quelques mm pour les fréquences UHF. 

Liaisons entre cartes

Si on a plusieurs cartes reliées entre elles, il faudra considérer les liaisons de la même façon que décrit plus haut:

A tout conducteur amenant un signal doit être associé le conducteur de "retour" le plus proche possible, très souvent la masse.

S'il s'agit de conducteurs de signaux lents, on peut simplement craindre la susceptibilité, c'est à dire des perturbations par des champs extérieurs. Comme déjà indiqué, il faudra que ces conducteurs soient proches du plan de masse commun aux cartes, ce plan de masse constituant le conducteur "retour". Dans ce cas de signaux peu perturbants, on pourra simplement prévoir une liaison entre la masse de la carte et le châssis à proximité immédiate des entrées sorties. Par exemple, par des colonnettes carte-châssis à proximité de ces entrées sorties.

Le dessin ci-dessous montre le trajet du courant de retour, qui doit rester proche du courant "aller", grâce aux colonnettes en bord de cartes. 

Mais s'il s'agit de conducteurs de signaux rapides, il faudra aussi craindre le rayonnement de ces conducteurs. Il faudra que le trajet du conducteur de retour soit plus proche du trajet du conducteur amenant le signal.

L'idéal, c'est d'utiliser un câble coaxial faisant la liaison entre les deux cartes, avec sa masse connectée "au plus court"  au plan de masse de chaque carte. Si le cas est moins critique, on pourra utiliser une liaison par câble en nappe, le conducteur central étant encadré par deux conducteurs de masse. Dans ce cas, l'impédance caractéristique de la "ligne" ainsi formée sera de l'ordre de la centaine d'ohms. ( figure ci -contre) 

Annexe :

 Résonances parasites  Carte / boîtier

• -Ces résonances parasites peuvent être très nuisibles, en renforçant les rayonnement non désirés de la carte, ou en la rendant susceptible à certaines fréquences .
• Des résonances parasites apparaîtront lorsque la carte est fixée dans un boitier métallique : Entre deux points de contact du plan de masse au boîtier ( par exemple colonnettes à distances D ) , on aura là souvent un résonateur en demi-onde…La solution, c’est de prévoir des contacts carte châssis suffisamment rapprochés pour que l’écart entre deux fixation représente une demi-onde pour des fréquences très supérieures à celle en jeux sur la carte. Une bonne solution, c’est de prévoir un contact tout le long, entre le bord de carte et le boîtier ( "trottoir") ,

Propagation guidée dans le boîtier:

Bien qu'il ne s'agisse pas exactement d'une résonance, il faudra se méfier en hyperfréquences de la propagation guidée dans le boîtier . Par exemple, le signal de sortie d'un amplificateur pourra être réinjecté sur l'entrée si le boitier se comporte en guide d'onde: il faudra donc se méfier si la largeur a du boîtier est supérieure à la demi-onde.

(Voir le dessin ci-dessous, la carte de l'amplificateur est en vert)

Le problème peut aussi se poser pour un filtre , le couplage entrée /sortie pourra réduire fortement les performances du filtre.....Par exemple, le filtrage des harmoniques d'un émetteur UHF pourra être perturbé : les signaux harmoniques générés par le transistor de puissance pourront passer au dessus des filtres censés les arrêter.......

Il faudra maintenlr la fréquence de coupure du "guide" bien supérieure aux fréquences en cause, car même l'onde évanescente proche de la coupure pourra réaliser ce couplage non désiré.

On pourra atténuer ce phénomène en collant un absorbant Rf ( ferrite souple, etc...) sur une ou plusieurs faces intérieures du boîtier. Plus on veut descendre sur des fréquences basses, quelques GHz quand même, plus cette plaque sera épaisse.

Les fentes dans le boîtier ....

Enfin, rappelons -le encore, les fentes , même invisibles , détruisent l'isolation entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier .... Ainsi, un blindage comportant une fente d'une demi-onde de long n'est plus un blindage, mais.... une antenne!