Description du banc de mesure

Le banc de mesure est constitué des bras motorisés et d’un boîtier de commande servant de contrôleur de position.

II.1.1.1. Mesure de l’émission champ proche

La Figure II–2 décrit la procédure d’une mesure en champ proche. Elle est constituée de deux étapes principales : une première de configuration puis une seconde de mesure.

Mesure Définition du plan du composant Définition de la surface à scanner Configuration de la mesure Positionnement de la sonde en (x, y, z) Attente Lecture de données et stockage Passage au point suivant

Figure II–2 : Ordre des tâches pour une mesure d’émission champ proche émission

L'étape de configuration se décompose en trois parties. Ces trois étapes sont validées avant la mesure proprement dite : la définition du plan du circuit imprimé, la définition de la surface à cartographier et la configuration des appareils et des paramètres de mesure.

Ensuite, l'étape de la mesure se fait en déplaçant la sonde au dessus du CST. Pour chaque position, un temps d’attente permet de stabiliser la sonde et de régler les appareils avant de faire la lecture des données. On recommence cette étape jusqu'au dernier positionnement de mesure initialement défini.

Cette procédure est valable aussi bien pour une mesure d'émission que pour une mesure de susceptibilité. En effet, les différences entre ces deux types de mesures se situent lors de la configuration des appareils de mesure et lors de la lecture et le stockage des mesures elles- mêmes. Analyseur de spectre Fichier de configuration Partie fixe Partie mobile Sonde de champ proche Composant sous test Fichiers résultat Ordinateur de contrôle Contrôleur de positionnement

La Figure II–3 décrit le banc de mesure champ proche lorsqu’il est utilisé en émission. Pour la mesure d’émission, la sonde est connectée à un appareil qui sert à mesurer le niveau d’émission du composant sous test. Sur la Figure II–3, l’appareil de mesure donné en exemple est l’analyseur de spectre. Selon l'objectif visé, on peut utiliser un oscilloscope ou un autre appareil de mesure.

Le champ mesuré est formé de trois composantes magnétiques et de trois composantes électriques. Afin de connaître toutes les caractéristiques du champ électromagnétique, il faut mesurer toutes ses composantes. On se sert de boucles pour faire la mesure de champ magnétique et de dipôle pour faire la mesure du champ électrique. Ces sondes sont conçues de façon à privilégier la mesure d'une des composantes du champ magnétique ou électrique. C’est l’orientation de la boucle ou du dipôle qui permet de connaître l’orientation du champ. La Figure II–4 décrit la forme et la position des sondes pour la mesure des différentes composantes du champ. Avant d’être utilisées, ces sondes doivent être calibrées [LABU05].

Surface à mesurer dans le plan xy y z x Orientation de la boucle pour Hx Orientation de la boucle pour Hy Orientation de la boucle pour Hz Orientation du dipôle pour Ez Orientation du dipôle pour Ex Orientation du dipôle pour Ey

Figure II–4 : Forme et positionnement des sondes champ proche pour la mesure de toutes les composantes du champ électromagnétique.

Pour réaliser cette mesure, on met le composant dans un mode de fonctionnement donné : fonctionnement nominal par exemple. On réalise des cartographies de son émission parasite rayonnée à une altitude donnée. Pour chaque mesure, la distance qui sépare la sonde de mesure du composant sous test doit être bien connue car la valeur du champ dépendant fortement de l’altitude. La cartographie complète de l’émission parasite d’un composant est constituée de six mesures. Chacune des mesures correspond aux composantes du champ magnétique H, et du champ électrique E. La mesure de l’émission parasite du composant peut être faite pour une ou plusieurs fréquences.

La sonde utilisée pour mesurer les composantes tangentielles (Hx et Hy) et la sonde utilisée

pour mesurer la composante orthogonale (Hz) ont des formes différentes. Cette différence

entraîne un décalage sur la position des zones actives de chacune de ces sondes. Pour compenser ce décalage, les sondes doivent être positionnées comme sur la Figure II–5.

Composant sous test hR wt hS Sondes Hx et Hy Sonde Hz y z x

Figure II–5 : Définition de l’altitude de mesure pour les sondes de champ magnétique.

Avec :

hR l’altitude réelle de balayage ;

wt le diamètre du fil utilisé pour réaliser la boucle ;

hS la distance entre l’extrémité de la boucle Hx et le boîtier de composant sous test.

Dans ce positionnement, hR est l’altitude réelle de la mesure pour les deux sondes. Cette

altitude est simple à trouver pour la sonde Hz tandis que pour la sonde Hx, elle équivaut à un

point qui se situe entre le centre de la boucle et l’extrémité inférieur du cercle intérieur de la boucle. Pour positionner la sonde Hx, on règle l’altitude hs qui correspond à la distance entre

l’extrémité de la sonde et la surface du composant. Ensuite, en connaissant la position du point actif, on calcule l’altitude réelle de la mesure.

Pour illustrer une mesure de l’émission en champ proche d’un circuit intégré, considérons un transistor de commutation. Il s’agit d’un transistor monté sur une carte de test CEM. Le composant est isolé sur une face (Figure II–6). La patte « drain » est portée à 90° de la patte source. Cela permet d’exacerber le champ rayonné par l’ensemble.

z x y l L Transistor de commutation Surface de la mesure G S D

Figure II–6 : Description du composant sous test et définition des axes de mesure.

La surface à cartographier est délimitée par la longueur L et la largeur l. La surface totale de la mesure est de 40*60 mm². Un point est mesuré tous les 2 mm. Le transistor commute une tension de 50 V sur une charge résistive de 7 Ohms – soit un courant de plus de l’ordre de 7 A – à la fréquence de 2 MHz. Les cartographies de la Figure II–7 sont obtenues en mesurant l’émission du transistor à la fréquence de 10 MHz.

Hx Hy Hz Champ H (dBA/m) 20 10 0 -20 -30 -40

Figure II–7 : Exemple de cartographies champ proche magnétique mesurées

Chaque cartographie correspond à une composante Hx, Hy et Hz du champ magnétique

mesuré. Pour cette mesure, l’utilisation de deux sondes est nécessaire : une pour la mesure des composantes tangentielles du champ (Hx et Hy), l’autre pour la composante orthogonale Hz. Cette mesure permet de localiser les sources de rayonnement du champ magnétique. On constate que les zones de champ maximum, entouré sur les cartographies se trouvent au autour des pattes de puissance du transistor pour toutes les cartographies. Cette mesure permet de se rendre compte que le fait que c’est la connexion du drain et de la source sur la carte qui provoque une telle émission. Elle peut être améliorée en réduisant la longueur des connexions et en les laissant parallèle au lieu de 90°.

II.1.1.2. Mesure de l’immunité champ proche

En susceptibilité, la sonde de champ proche est utilisée pour injecter la perturbation sur le composant sous test (CST). Dans cette configuration (Figure II–8), un générateur de signal est branché à l'entrée d'un amplificateur de puissance. Ce dernier est connecté à la sonde d'injection champ proche. Le comportement du CST est observé tout au long de la mesure afin de noter les défaillances en fonction du niveau de champ injecté. L'ensemble du banc est géré à l’aide de l’ordinateur de contrôle. Dans cet exemple, l’analyse du contrôle du critère de susceptibilité se fait à l’aide d’un oscilloscope. Ce dernier est également contrôlé par ordinateur. Fichier de configuration Partie fixe Partie mobile Sonde d’injection champ proche Composant sous test Fichiers résultat Ordinateur de contrôle Contrôleur de positionnement Amplificateur Synthétiseur de signal Analyse du critère de susceptibilité

Pour illustrer une mesure d’immunité en champ proche d’un circuit intégré, considérons un microcontrôleur : le HCS12X. Il est monté sur une carte de test CEM. Le circuit intégré est isolé sur une face de la carte. L’agression globale d’un tel circuit intégré n’est pas intéressante pour l’investigation de son immunité. La méthode d’immunité en scan champ proche permet de réaliser des injections localisées sur un seul bloc du circuit intégré. Lorsque la résolution spatiale des sondes le permet, l’injection peut même se faire sur une broche dédiée à un bloc. Dans cet exemple, c’est le circuit d’horloge que nous agressons. Nous choisissons comme critères de susceptibilité une variation de plus de 10% de la période du signal d’horloge et un déclenchement des interruptions liées à la génération du circuit d’horloge.

La Figure II–9 donne un exemple de mesure de susceptibilité en champ proche du microcontrôleur HCS12X. 100 1000 50 48 46 44 42 40 38 Pinc (dBm) Fréquence (MHz) Pinc (dBm) 36 38 40 42 44 46

Figure II–9 : Cartographie de la susceptibilité et seuil de susceptibilité en champ proche du circuit d’horloge du microcontrôleur HCS12X [BOYE07].

Sur la Figure II–9 (gauche) est présentée la courbe du seuil de susceptibilité du microcontrôleur. Pour cette mesure, la sonde est positionnée en un point fixe au dessus du circuit d’horloge du microcontrôleur. La fréquence du signal du synthétiseur de signal varie de 100 MHz à 10 GHz. Pour chaque point de fréquence, la puissance de ce signal est variée de Pmin à Pmax = 50 dBm. Si une défaillance est observée avant Pmax, la puissance est

enregistrée comme seuil de susceptibilité. Cette mesure permet de tracer la puissance incidente aux bornes de la sonde d’injection en fonction de la fréquence. La courbe résultante correspond au seuil de susceptibilité champ proche d’un bloc du microcontrôleur en fonction de la fréquence. Pour compléter cette mesure, il peut être intéressant de cartographier tout le circuit intégré afin de localiser toutes les zones sensibles à la perturbation allant par exemple de 400 à 520 MHz.

Sur la Figure II–9 (droite) est présentée la cartographie de la susceptibilité en champ proche du microcontrôleur. Pour effectuer cette mesure, la fréquence du synthétiseur de signal est fixée à 490 MHz. La sonde d’injection est déplacée dans la zone de scan (au dessus du composant) pour faire plusieurs points de mesure. Pour chaque position de la sonde, la puissance du signal d’injection est varie de Pmin à Pmax = 50 dBm. Si une défaillance est

observée avant d’atteindre Pmax, la puissance en cours est relevée, c’est le seuil de

susceptibilité. Ces données permettent de représenter sous forme de cartographie, le seuil de susceptibilité champ proche de l’ensemble du microcontrôleur à la fréquence de 490 MHz.

Ainsi, cette mesure permet de localiser une zone sensible du circuit intégré en effectuant une cartographie. De plus, en fixant la position de la sonde, on a caractérisé plus précisément

le comportement de cette zone en fonction de l’amplitude et de la fréquence du signal de perturbation.

II.1.1.3. Définition du plan du composant

Généralement on souhaite réaliser la cartographie d’un composant à une altitude donnée constante. Pour cela, on place la carte sur laquelle se trouve le composant « horizontalement ». Lorsque le plan du composant est parallèle au plan de mesure, la mesure se fait à hauteur constante – cela sous-entend que l’altitude de la sonde par rapport au composant est constante. Dans le cas contraire, le déplacement en x et/ou en y entraîne une modification de la distance entre la sonde et le composant. Le problème est le même lorsque la carte elle-même n’est pas horizontale. La figure ci-dessous montre une sonde au dessus d’une carte légèrement inclinée. On s’aperçoit que plus la sonde se déplace vers la droite, plus la distance qui la sépare de la carte est grande. Cela entraîne une erreur sur le résultat de la mesure. Cette erreur est d’autant plus grande que l’on est proche de la source d’émission.

Figure II–10 : Illustration de l’inclinaison d’un composant du au positionnement de la carte. On voit que la sonde n’est pas perpendiculaire au plan de la carte

Cette erreur peut être corrigée par le programme si l’utilisateur le souhaite. C’est une étape importante de la configuration. Pour corriger l’inclinaison du composant, il faut enregistrer trois points distincts et non alignés. Un calcul permet d’obtenir l’équation du plan de la carte. Ce calcul permet le déplacement de la sonde non plus à une altitude constante mais dans un plan parallèle à celui de la carte qui comporte le composant. Cela permet de rester à la même distance du composant.

II.1.1.4. Configuration de la mesure

La configuration de la mesure concerne toutes étapes de la mesure et aussi les appareils qu’elle fait intervenir. Configurer la mesure consiste à définir l’altitude de la mesure, la surface à cartographier et le pas de chaque axe de déplacement. Ensuite, pour l’émission, on définit les fréquences auxquelles l’on souhaite faire la mesure. Avant de démarrer la mesure, il faut configurer l’analyseur de spectre en lui indiquant la RVW, le Span et l’unité de la mesure. Pour l’immunité, Il faut dans premier temps définir le type de mesure que l’on souhaite effectuer, à savoir avec ou sans déplacement de la sonde d’injection. Le générateur de signal doit être configuré sur le mode souhaité, signal harmonique ou modulé par exemple. L’unité de la puissance doit également être configurée afin de prévenir des erreurs. L’appareil qui sert pour l’analyse du critère de susceptibilité doit aussi bien entendu être programmé avant de démarrer la mesure. Il doit contenir les conditions de défaillances qui ont été choisies pour l’analyse.