Dépannage des problèmes EMI causés par les résonances structurelles

Cela vous est-il arrivé ? Lors du dépannage d'un problème d'interférence électromagnétique (EMI), vous avez essayé différentes combinaisons de composants et constaté que le signal d'intérêt était réduit. Mais un autre signal de fréquence a augmenté de manière inattendue au-dessus de la ligne limite. Ou bien, vous avez introduit un châssis plan sur votre carte de circuit imprimé (PCB), pour constater que les émissions rayonnées sont devenues bien pires au lieu de s'améliorer. Ce sont des cas typiques de « réglage des résonances d’un circuit ».

La plupart des émissions EMI sont liées à des résonances structurelles. Les résonances structurelles sont également l’une des principales raisons pour lesquelles la compatibilité électromagnétique (CEM) peut être mystérieuse. Sans le savoir, les ingénieurs passent souvent des jours et des mois à régler les résonances d'un circuit en ajoutant des éléments passifs tels que des inductances et des condensateurs. Parfois, ils ont la chance de parvenir enfin à une combinaison qui leur permettrait de passer. Mais la plupart du temps, les solutions sont difficiles à trouver.

Une quantité considérable de travaux ont été réalisés sur le sujet des résonances structurelles et un aperçu de ces travaux peut être trouvé dans la référence 1. Deux études de cas pratiques sont également présentées dans la référence 1 pour démontrer les méthodes permettant d'identifier, de localiser et de résoudre les problèmes EMI qui sont associés à des résonances structurelles.

L'ingénierie CEM nécessite souvent de résoudre des problèmes (mais pas d'étudier) dans un temps limité. Par conséquent, les techniques efficaces mais qui permettent également de gagner du temps sont encouragées. Il existe des indicateurs qui signalent la présence de résonances structurelles, et les ingénieurs peuvent apprendre à utiliser ces indicateurs pour localiser la structure résonante et résoudre les problèmes EMI. Cet article explore également certaines techniques pratiques de dépannage des problèmes EMI provoqués par des résonances structurelles. Des études de cas sont présentées pour illustrer ces techniques.

Les conditions suivantes doivent être remplies pour qu’une structure résonne :

Figure 1 : Cas typiques de résonances structurelles ; (a) Deux PCB avec une connexion filaire ; (b) Deux armoires avec le même point de masse.

De manière générale, il existe trois méthodes pour localiser les résonances structurelles, qui incluent les techniques analytiques, dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel.

Une approche analytique nécessite généralement de l'expérience et un savoir-faire technique pour modéliser/simuler le système. Pour les petits systèmes présentant des problèmes connus, comme l'étude de cas présentée dans la référence 1, de simples calculs mathématiques suffisent souvent pour donner une estimation de la fréquence de résonance du dispositif testé (DUT). Souvent, une approche analytique est réalisée soit par simulation 3D pleine onde, soit par un logiciel CEM spécialisé.

L’avantage de l’approche analytique est qu’elle peut faire une prédiction avant la construction d’un prototype, ce qui rend cette approche populaire dans la conception et le développement d’applications automobiles, aérospatiales et spatiales. Ces entreprises disposent souvent de modèles de simulation qui ont été validés dans le passé et qui peuvent être facilement modifiés pour une nouvelle étude. Mais pour les entreprises qui ne disposent pas de modèles existants, la création d’une simulation peut s’avérer un processus long et coûteux.

Dans le domaine fréquentiel, il existe deux techniques principales. La mesure de la puissance réfléchie par une boucle de champ magnétique est abordée dans la référence 2 et la même méthode a été démontrée dans la référence 1. Cette méthode nécessite une petite boucle de champ magnétique pour « renifler » les structures suspectes, souvent au niveau du circuit imprimé. Williams a introduit une mesure en champ lointain à l'aide d'un analyseur de spectre doté d'un générateur de suivi (voir référence 3). Un signal de référence est injecté dans le DUT par la sortie du générateur de suivi et une antenne est utilisée pour mesurer le signal de réponse. Cette méthode est particulièrement utile dans les applications où la masse du PCB entre en résonance avec le boîtier (châssis). Les deux méthodes sont pratiques et ne nécessitent qu’une petite quantité de configuration de test. L'inconvénient de ces méthodes est qu'elles sont souvent limitées à l'investigation au niveau des cartes PCB et ne sont pas utiles dans les grands systèmes.

Dans le domaine temporel, la mesure du courant de résonance avec une sonde de surveillance de courant RF lorsqu'une impulsion est injectée dans le système est souvent utilisée (voir référence 4). Cela constitue une technique efficace lorsqu'il s'agit de dépanner de grands systèmes ou lorsque plusieurs PCB sont interconnectés.