CCCCCCCCOOOOOOOOMMMMMMMMIIIIIIIITTTTTTTTÉÉÉÉÉÉÉÉ NNNNNNNNAAAAAAAATTTTTTTTIIIIIIIIOOOOOOOONNNNNNNNAAAAAAAALLLLLLLL

FFFFFFFFRRRRRRRRAAAAAAAANNNNNNNNÇÇÇÇÇÇÇÇAAAAAAAAIIIIIIIISSSSSSSS DDDDDDDDEEEEEEEE

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SSSSSSSSCCCCCCCCIIIIIIIIEEEEEEEENNNNNNNNTTTTTTTTIIIIIIIIFFFFFFFFIIIIIIIIQQQQQQQQUUUUUUUUEEEEEEEE

MODELISATION D'UNE PINCE D'INJECTION POUR LE TEST B CI SUR LIGNE DE TRANSMISSION MULTI CONDUCTEUR

Frédéric LAFON * - Younes BENLAKHOUY * - François D E DARAN * (*): VALEO VIC, 2 Rue Fernand Pouillon, 94042 Creteil Cedex, frederic.lafon@valeo.com

Résumé. Le test BCI (Bulk Current Injection) est l'un des plus pratiqué pour la caractérisation des équipements automobile [1]. Afin de pouvoir concevoir les équipements dans les phases préliminaires, des modèles ont pu être déjà établis par le passé [2], mais présentent des limitations en terme de précision, de plage de fréquence de validité et de nombre de fils qu'il est possible de considérer. Des travaux plus récents ont été réalisés par [3] et [4] proposant un modèle plus précis mais toujours limité à des injections sur un seul fil. De plus ce modèle, de part sa définition, pose des difficultés d'implantation dans un environnement de simulation comme Pspice, du fait que les inductances définies varient avec la fréquence. Nous proposons dans cet article de détailler la construction d'un modèle pour la pince d'injection FCC F140, avec les objectifs de couvrir une bande de fréquence jusqu'à 400 MHz (voir avec une extension jusqu'à 1 GHz), de fixer les valeurs des inductances de notre modèle pour permettre une intégration simple dans Pspice et de pouvoir prendre en compte une injection sur plusieurs fils. Le modèle constitué et décrit dans la première partie de cet article, sera exploité dans une deuxième partie de manière à ouvrir des discussions sur l'appréciation des résultats de tests BCI obtenus sur un équipement. I. MODELISATION DE LA PINCE D'INJECTION

I.1 Mesures sur la pince La première étape consiste à mesurer l'impédance d'entrée de la pince, sans aucun fil à l'intérieur, en réalisant une mesure de S11 avec un analyseur de réseau vectoriel. A partir de cette mesure, un modèle équivalent peut être construit de manière à reproduire le comportement mesuré. La structure du modèle considéré est tirée de l'analyse visuelle de la constitution de la pince.

Fig.1 – Vue interne de la pince sans la ferrite

A partir de cette analyse visuelle, on peut établir que la pince est constituée de deux éléments principaux. La première partie correspond à la connectique N de la pince, la seconde partie à la spire entourant le noyau magnétique. Dans le cas de cette pince, elle n'est constituée que d'une spire, dont la longueur totale est de l'ordre de 12 cm. En supposant une vitesse de propagation de 3.108 m.s-1, on peut estimer que les phénomènes de propagation n'apparaîtront que pour des fréquences supérieures à 500 MHz. Pour couvrir cette plage de fréquence, il ne sera donc pas nécessaire de discrétiser la structure de notre modèle. Enfin cette analyse visuelle nous permet de noter que le corps est constitué par un matériau métallique, sans ouverture / fentes significatives. Cela nous permet de n'envisager q'un couplage par mutuelle inductance avec les fils qui seront placés dans la pince. Les couplages capacitifs seront donc négligés. Le modèle équivalent initial de départ est finalement:

Modèle connectique N

Modèle Spire

R1

R2

R3

L11 2

L21 2

C1

C2 0

0

Fig.2 – Schéma équivalent générique de la pince d'injection

A partir de l'impédance mesurée (Fig.3.), on peut estimer les valeurs des différents éléments du modèle générique, en considérant les points caractéristiques de la mesure (fréquences de résonances, valeurs minimales et maximales…). Un premier modèle ainsi établi permet de réaliser une confrontation simulation mesure:

Fig.3 – |Z| en Ohms = f(Fréquence) en Hz. Courbe continue = mesure

Courbe discontinue = simulation

Ce modèle pourrait sembler acceptable, mais si on compare de manière indépendante les parties réelles et imaginaires, des écarts importants sont observés, et justifie de pousser plus loin la définition de notre modèle. Ces écarts sont dus aux faits que l'inductance varie avec la fréquence (perméabilité de la ferrite fonction de la fréquence), et que les parties résistives de notre modèle varient également avec la fréquence (effet de peau, pertes par rayonnement, et absorption de noyau magnétique). En gardant toujours la contrainte de fixer les valeurs des inductances, on remplace les résistances R2 et R3 de la Fig.2 par des modèles comportementaux permettant de les rendre variables avec la fréquence (Fig.4).

E

V(%IN+, %IN-)

EFREQOUT+OUT-

IN+IN-

R

1e-6

+ -

HH

00

A B

Fig.4 – Modèle comportemental d'une résistance variable avec la fréquence

Ce modèle consiste à extraire la valeur du courant par la source commandée H. la valeur de ce courant est injectée dans la source commandée EFREQ qui génère dans la partie circuit une tension égale à R(f).I. Dans l'opérateur EFREQ, les variations avec la fréquence de la valeur de la résistance sont définies sous forme de table. Entre les points A et B on obtient donc un modèle réagissant comme une résistance. Les évolutions des valeurs R2 et R3 sont ajustées manuellement pour correspondre à la mesure. Les ordres de grandeur et l'évolution de ces valeurs restent cependant cohérents pour être représentatifs des mécanismes d'effet de peau et de pertes dans le noyau magnétique. Le modèle final de la pince est donné Fig.5. Les corrélations simulations mesures obtenues sont données Fig.6 et 7.

R1

1k

L1

28.5e-9

1 2L2

4.3e-6

1 2

C12.9e-12

C2

8.25e-12

+ -

H1H

E1

EFREQ

OUT+OUT-

IN+IN-

1e-6

0

0

+ -

H2H

E2EFREQ

OUT+OUT-

IN+IN-

1e-6

0

0

0

R2(f)

R3(f)

0

Fig.5 – Modèle final de la pince FCC F140

Fig.6 – |Z| en Ohms = f(Fréquence) en Hz. Courbe continue = mesure

Courbe discontinue = simulation

Fig.7 – |Z| en Ohms = f(Fréquence) en Hz. Mesure comparée à la simulation

Cela permet de valider notre modèle jusqu'à 1 GHz. I.2 Caractérisation du JIG La seconde étape consiste à modéliser le JIG sur lequel la pince d'injection sera placée. Un JIG spécial est réalisé, permettant de faire des injections sur plusieurs fils (jusqu'à 4 fils dans notre cas). L'objectif est d'isoler dans le modèle final, la partie couplée à la pince d'injection, ce qui implique de modéliser finement cette structure.

Fig.8. JIG utilisé pour injection sur plusieurs fils Le modèle pour un fil est tout d'abord réalisé, à partir de mesures à l'analyseur de réseau. Pour ces mesures, la pince est placée sur le JIG, comme sur la Fig.8, mais est laissée en circuit ouvert. Cela permet en basses fréquences (au moins jusqu'à 100 MHz), de n'avoir que l'effet du matériau magnétique sans influence de la spire (par mutuelle inductance). En effet le courant induit dans la boucle de la pince reste négligeable jusqu'à cette fréquence. Les éléments L et

C du JIG sont alors extraits à partir des comportements basses fréquences pour les mesures en circuit ouvert et court circuit du JIG. La structure équivalent du JIG est décomposée comme suit:

L12

32.34nH

L13

5.13uH

L11

1.2nH

0 0

C15

0.804pF

C17

0.97pF

0

C16

1pF

C13

0.97pF

0

C14

0.804pF

C27

1pF

L15

1.2nH

0 0

L14

32.34nH

Partie couplée

Partie non coupléePartie non couplée

Connecteurs SMAConnecteurs SMA

Fig.9. JIG utilisé pour injection sur plusieurs fils L'extraction des modèles des connecteurs SMA est réalisée par des mesures sur ces connecteurs seuls. Le modèle des parties non couplées est évalué à partir de mesure sans la pince et en considérant simplement un rapport sur les longueurs à l'intérieur et à l'extérieur de la pince. Le modèle de la partie couplée est finalement déduit de la connaissance des autres éléments. Dans le cas de plusieurs fils constituant le JIG, la technique d'extraction sera la même. En complément, on doit prendre en compte les éléments de couplage entre fils. Ces éléments sont extraits par la mesure en se basant sur [5]. La simulation pourrait également être envisagée pour extraire les matrices L et C, mais à ce stade le µr(f) étant inconnu, l'approche reste limitée. I.3 Evaluation du coefficient de couplage

Nous avons maintenant les modèles de la pince et du JIG (de 1 à 4 fils). Le dernier paramètre à extraire est le coefficient de couplage entre la pince et le(s) fil(s). Comme établi lors de l'analyse visuelle de la structure de la pince, seul le couplage par mutuelle inductance est considéré. Ce paramètre est extrait sur la structure avec 1 fil en réalisant une mesure de S21 (injection sur la pince et mesure sur le fil du JIG). Le coefficient de couplage extrait entre l'inductance de la pince et celle du JIG est k=0.9933. Cette valeur est très proche de 1 qui est la valeur théorique attendue. Le modèle final pour l'injection sur 1 fil est finalement:

R1

1k

L1

28.5e-9

1 2L2

4.3e-6

1 2

C12.9e-12

C2

8.25e-12

+ -

H1H

E1

EFREQ

OUT+OUT-

IN+IN-

1e-6

0

0

+ -

H2H

E2EFREQ

OUT+OUT-

IN+IN-

1e-6

0

0

0

R2(f)

R3(f)

0

L3

1.2e-9

1 2L4

32.34e-9

1 2L5

5.13e-6

1 2L6

32.34e-9

1 2L7

1.2e-9

1 2

C30.97e-12

C41e-12

C50.8e-12

C60.8e-12

C71e-12

C80.97e-12

0 0 0 0 0 0

PORT1 PORT2

K K1

COUPLING = 0.9933K_Linear

L1 = L2L2 = L5

Fig.10. Modèle final pour injection sur 1 fil Des comparaisons entre simulations et mesures ont été réalisées pour 1,2 et 4 fils. Pour chaque cas plusieurs configurations de charges sont alors possibles pour les fils du JIG (Court circuit / Circuit ouvert ou 50 Ohms), et a permis de valider notre modèle pour un grand nombre de combinaisons. Quelques résultats représentatifs sont donnés ci-dessous:

1 .104

1 .105

1 .106

1 .107

1 .108

1 .109

50

40

30

20

10

0

Atténuation mesure

.

CC

1 .104

1 .105

1 .106

1 .107

1 .108

1 .109

50

40

30

20

10

0

Atténuation mesure

.

CC

Fig.11.Injection 1 fil - |S21|(dB)=f(F(Hz) Fil mesuré - en court circuit

Rouge = Mesure / Bleu = Simulation

1 .104 1 .105 1 .106 1 .107 1 .108 1 .109

40

20

0

Atténuation mesure

Fig.12.Injection 2 fils - |S21|(dB)=f(F(Hz)

Fil mesuré - en court circuit Deuxième fils= Court circuit / 50 Ohms

Rouge = Mesure / Bleu = Simulation

1 .104 1 .105 1 .106 1 .107 1 .108 1 .109

40

20

0

Atténuation mesure

Fig.13.Injection 4 fils - |S21|(dB)=f(F(Hz)

Fil mesuré - en court circuit Autres fils = tout sur 50 Ohms

Rouge = Mesure / Bleu = Simulation

Les modèles établis donnent des résultats corrects jusqu'à 500 MHz. Des écarts de l'ordre de 10 dB peuvent être observés au-delà, liés aux approximations et contraintes que l'on s'est fixés. Malgré ces écarts l'utilisation du modèle jusqu'à 1 GHz peut rester possible en fonction des objectifs liés à son utilisation. II. EXPLOITATION DU MODELE

Le modèle développé peut être implémenté dans une modélisation d'un test BCI sur système complet. Chaque partie constituant le banc de test doit être modélisé en utilisant plus ou moins les mêmes techniques que celles utilisées pour la modélisation de la pince. Le détail de la modélisation de ces autres éléments n'est pas l'objet de cet article. La configuration d'essai générale, tel que défini dans la norme [1] est rappelée ci-dessous:

RSIL/charges

Pince d’injection Mesure du courant

Élément sous test200mA

RSIL/charges

Pince d’injection Mesure du courant

Élément sous test200mA

Fig.14. BCI – Configuration générale

La configuration est composée de plusieurs parties qui seront modélisées comme décrit dans [6] et [7]: La batterie, le RSIL sont modélisés par leurs impédances équivalentes extraites des mesures, le faisceau avec des modèles de ligne de transmission couplées et non uniformes, et l'équipement (Pistes, circuits intégrés, composants passifs) en prenant en compte les

éléments parasites ayant une influence sur la plage de fréquence définie pour l'analyse. Nous pouvons maintenant étudier un comportement intéressant du test BCI, lorsque l'on injecte sur un faisceau composé de 3 fils. Si on considère un circuit intégré connecté à deux de ces fils, on peut mettre en évidence que l'impédance présentée sur le troisième fil

modifiera le niveau de tension différentielle ramené en entrée du circuit intégré. Dans notre cas, le composant sera simplement un régulateur de tension relié au 12 Volts et à la masse. Le schéma équivalent du test BCI sur ce système est donné Fig.15.

GND

U1PROBE_3_WIRES

3WiresMTL Model

reference

90 cm1 GHz

U3

3WiresMTL Model

reference

10 cm1 GHz

U4

0

LISN_R_ext

0U5

BAT DUT

R_1

R_2

LISN_R_ext

0U6

BAT DUT

R_1

R_2

R150

R250

BATTERIE12V

GNDVBAT

0

0 0 0 0

T1

Z0 = 150

TD = 0.05/1.4e8

V+

V-

C15e-12

0

50 Ohms

GND

U10AMPLIFIER_SOURCE_BCI_300_MA

K = 4

U11

4949D_ICIM

IN0

GN

D1

VOUT_DEF2

RST_DEF3

SO_DEF4

R8R

C_C

MS

_060

3_10

0NF

_X7R

_M

L15e-9

1

2

R4R

PARAMETERS:

MPCB1

MPCB1

Fig.15. Modèle complet pour le test BCI sur faisceau 3 fils et régulateur de tension. Lorsque l'on réalise une analyse paramétrique avec une charge (pour le troisième fil) purement résistive, et que l'on fait varier entre 1µΩ et 1 MΩ, on obtient les résultats de la Fig. 16. On observe que les niveaux de tensions différentielles ramenés sur l'entrée du régulateur sont impactés par la condition de charge de ce troisième fil. Les variations en dB sont représentées en Fig. 17, en considérant la configuration 1 Ohm comme référence.

Frequency

1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHzV(U11:IN,MPCB1)

100uV

1.0mV

10mV

100mV

1.0V

10V

Frequency

Diff

eren

tialv

olta

ge

1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz

10 V

1 V

0.1 V

Fig.16. Tension différentielle simulée – Variations de

la valeur de la résistance de charge

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09Frequency (Hz)

del

ta d

B

Delta dB - ( 1 Ohm / 100 Ohms)

Delta dB - ( 1 Ohm / 1 MOhms)

Fig.17. Ecarts en dB entre 1 Ohm et autres configurations étudiées

On peut observer que les écarts peuvent atteindre jusqu'à 15 dB, et en particulier proche des points de résonances. Les écarts moyens restent de manière générale de l'ordre de 6 dB pour une charge de 1 MΩ. Cela signifie que des défauts pourraient être observés ou non, en fonction de la configuration de charge, sans changer réellement la robustesse de la fonction régulateur. Si on change maintenant la résistance située sur le troisième fil et dans l'équipement par une inductance, et que l'on refait une analyse paramétrique pour des valeurs comprises entre 1 nH et 10 µH, les résultats suivants sont obtenus:

Frequency

1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz 300MHz 1.0GHzV(U17:IN,MPCB2)

100uV

10mV

1.0V

100V

10uV

1.0KV

V(U17:IN,MPCB2)

Frequency

Diff

eren

tialv

olta

ge

1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz

10 V

1 V

0.1 V

Fig.18. Tension différentielle simulée – Variations de la valeur de l'inductance de charge

Dans ce cas des écarts pouvant atteindre 30 dB sont observés. Les mêmes conclusions quant au fait que cela ne revient pas à changer la robustesse de la fonction peuvent être faites dans ce deuxième cas. III. CONCLUSIONS

Un modèle de pince BCI couplée sur un faisceau à plusieurs conducteurs a été construit et validé jusqu'à 500 MHz. Au-delà de cette fréquence et jusqu'à 1 GHz des écarts de l'ordre de 10 dB sont observés, ce qui peut rester acceptable en fonction de l'utilisation de ce modèle. Dans les modèles générés, on considère que le coefficient de couplage entre la pince et chacun des fils du secondaire est identique. Ce point devrait être validé ou ajusté pour des structures câblage avec beaucoup de conducteurs, ce coefficient de couplage pouvant en pratique être légèrement modifié suivant le centrage du fil dans la pince (mise en évidence expérimentalement). Le modèle a pu être validé jusqu'à 10 fils à ce jour avec cette approche. L'exploitation du modèle sur un cas concret permet de mettre en évidence certaines "limitations" dans l'exploitation de résultats d'un test BCI. Le fait de changer les impédances de charge sur 1 fil modifie les niveaux des perturbations ramenées sur les autres fils. Ce n'est clairement pas une solution pour améliorer la robustesse d'un produit, mais cela peut être considéré comme un artifice pour passer le test ou pas. Avec un faisceau plus court, comme recommandé dans [6] pour des questions de dispersions d'essai, cet effet pourrait être quelque peu atténué. REFERENCES

[1] ISO 11453-4 Standard – Road vehicles — Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy — Part 4: Bulk current injection (BCI)

[2] Fabrice Duval - Bélahcène Mazari - Bertrand

Freyre - Philippe Lefebvre - Jean Zigault- Olivier Maurice, "Bulk Current Injection Test Modelling and Creation of a Test Methodology”, EMC Zurich symposium, 2003

[3] F. Grassi - S. A. Pignari - F. Marliani, "Improved

Lumped-Pi Circuit Model for Bulk Current Injection Probes", IEEE Electromagnetic Compatibilty 2005

[4] F. Grassi - S. A. Pignari - F.G. Canavero, "Fixture

for Modelling and Calibration of Bulk Current Injection Probes", 2005

[5] Sébastien Bazzoli, "Caractérisation et

Simulation de la Susceptibilité des Circuits Intégrés face aux Risques d'Inductions engendrées par des Micro-ondes de Forte Puissance”, Université des sciences et technologie de Lille, octobre 2005.

[6] F.Lafon, "Harness influence in Bulk Current

Injection testing". EMC Zurich Symposium 2005 - CD proceedings.

[7] F.lafon and Al. "Analyse de risque au niveau

système par l'exploitation du modèle ICEM" EMC06, Saint Malo, CD Proceedings