I.2.1. Imperfections d’un filtre CEM
Le modèle précédent de filtre CEM présenté figure I.3 ne fait intervenir aucun terme parasite. La représentation complète d’un filtre nécessite de considérer les influences électromagnétiques des composants discrets mais aussi de l’ensemble des pistes car leurs impacts en haute fréquence ne peuvent pas être négligés (Fig I.4).
Figure I.4 : Impact des éléments parasites en haute fréquence
Les imperfections d’un filtre CEM peuvent être divisées en deux familles correspondant aux natures des phénomènes physiques associés. Il y a d’une part les parasites magnétiques liés aux différentes inductances partielles de chaque partie conductrice du filtre, autrement dit des
pistes et de la géométrie interne de chaque composant discret. Ces inductances partielles sont toutes couplées magnétiquement, on parle alors de mutuelles partielles [5]. Dès lors que plusieurs inductances partielles sont électriquement connectées en série pour former un circuit fermé, on parle d’inductance de maille. Identifier expérimentalement et avec précision ces éléments parasites n’est pas chose facile, car les valeurs mesurées peuvent être du même ordre de grandeur, voir plus faible, que la précision de l’appareil utilisé. En conséquence de cela, le procédé même de mesure peut également se révéler très complexe. Les résultats obtenus peuvent en effet fortement dépendre des conditions d’analyse ; c'est-à-dire de la qualité du calibrage, de la nature des connectiques employées, ou encore des connexions avec l’outil de mesure. Enfin, l'appareil de mesure ne peut caractériser que les circuits fermés, et non les inductances partielles qui restent un concept mathématique, très puissant mais pas mesurable. Les effets électrostatiques sont quant à eux définis pas des capacités parasites apparaissant entre tous les éléments conducteurs espacés par un matériau isolant tel que de l’air. Ce type de phénomènes peut alors exister au sein même d’un composant discret modifiant ainsi son comportement en haute fréquence ; c'est-à-dire lorsque l’impédance des capacités parasites est suffisamment faible pour ne plus pouvoir négliger leur influence. C’est un problème relativement bien connu des inductances bobinées présentant un comportement capacitif en HF en raison des différentes capacités apparaissant entre spires, mais aussi entre les spires et le matériau magnétique s’il y a [30] [31] [90]. De précédents travaux ont consistés à établir des méthodes de mesure génériques pour identifier ce type de capacités pour des transformateurs [6]–[9]. Etant donné que les inductances de MD et de MC d’un filtre CEM peuvent s’apparenter à ce type de composant, il nous est possible d’utiliser directement les méthodes existantes pour définir au mieux leurs capacités parasites respectives.
Des capacités parasites apparaissent également au sein d’un circuit de connexion en raison de la proximité d’une multitude de pistes ou câbles conducteurs. La prise en compte de ce comportement capacitif peut être assurée par des modélisations à base de lignes de transmission ou de constantes localisées. Toutefois, au vu des fréquences maximales considérées (quelques dizaines de MHz) et des longueurs mises en jeu (inférieures à 20cm), ces effets seront négligés devant les phénomènes magnétiques.
Considérer simultanément tous les termes parasites aussi bien magnétiques que capacitifs augmente considérablement la complexité du problème à traiter. Un nouveau modèle équivalent de filtre CEM, plus complet que celui présenté figure I.3, est alors proposé figure
inductances discrètes (LMD & LMC) ne sont cependant pas affichés dans cette représentation pour des raisons de lisibilité. Mais ils doivent également être pris en compte.
Figure I.5 : Schéma équivalent complet d’un filtre CEM (couplages magnétiques et capacités parasites non représentés)
De manière rigoureuse, il serait aussi nécessaire de considérer les systèmes connectés aux ports d’entrée/sortie du filtre, ainsi que les câbles de connexions présents. Car en effet, des couplages magnétiques existent entre le filtre CEM et son environnement. Mais nous feront la première hypothèse qu’ils sont négligeables pour cantonner le problème au filtre à proprement dit. Sans cette hypothèse, le problème deviendrait difficile à cerner car tout système est naturellement couplé électromagnétiquement parlant à ses voisins, il faudrait donc remonter de proche en proche pour considérer l’ensemble des systèmes interconnectés. Ce qui est bien évidemment impossible à définir correctement.
I.2.2.Objectifs et cahier des charges du problème
Bien sur, quelle que soit l’utilisation d’un filtre CEM, la structure même du dispositif reste inchangée, qu’il soit utilisé dans un système fixe ou embarqué. Néanmoins, les normes à respecter ne sont pas forcément identiques. La sévérité des contraintes physiques, aussi bien thermiques que mécaniques ou encore électromagnétiques, peut en effet fortement varier que l’on soit dans un bâtiment en bord de plage ou dans un avion à plusieurs km d’altitude. Dans le cadre de ces travaux, seul les aspects électromagnétiques ont été considérés.
Comme expliqué dans l’introduction de ce chapitre (I.1), la complexité de caractériser les phénomènes électromagnétiques parasites est telle qu’il est généralement choisi de les limiter
au maximum de sorte à pouvoir prédire le plus facilement possible le comportement du filtre CEM. Or rien ne garantit de bonnes performances en haute fréquence. L’objectif de ces travaux a donc été de voir s’il était possible d’utiliser correctement les termes parasites pour améliorer la réponse du filtre. Un processus d’optimisation a ensuite été mis en place dans le but de trouver une solution optimale de filtre CEM d’un point de vue magnétique. La robustesse de cette solution a aussi été analysée afin de vérifier la validité de l’hypothèse négligeant l’influence CEM des éléments extérieurs (au filtre) sur le filtre.
I.2.3.Norme aéronautique
Cette thèse est directement liée au monde de l’aéronautique, car des sociétés telles qu’Airbus, EADS ou encore Hispano-suiza ont eu la volonté d’améliorer les performances des filtres CEM sans pour autant modifier la structure même de ce dernier, ni même son encombrement. L’analyse et les méthodes de caractérisation d’un filtre CEM doivent donc correspondre à celles précisées dans la norme DO160 [10] [11]. Les contraintes CEM s’échelonnent de 150kHz à 30Mhz afin de ne concerner que les perturbations CEM conduites. Les fréquences <150kHz correspondent en effet aux signaux de puissances, et celles >30MHz aux ondes CEM rayonnées.