Description du sujet de thèse

Développement de méthodes d’essais pour l’analyse et l’évaluation des risques liés aux perturbations électromagnétiques au niveau des circuits intégrés :

Contexte et problématique

Le secteur du transport connait ces dernières années des transformations majeures liées à des évolutions technologiques qui conduisent à des véhicules plus électrifiés et plus autonomes. Dans un tel contexte, les enjeux de la CEM deviennent encore plus essentiels pour prévenir tout risque de dysfonctionnement lié aux perturbations électromagnétiques (EM) et garantir la sûreté de fonctionnement des utilisateurs. La complexité grandissante des environnements (EM) conjuguée aux besoins croissants de la sûreté de fonctionnement des équipements électroniques embarqués (par exemple ceux dédiés aux applications automobiles, aéronautiques ou spatiales) rendent cruciales la question de l’évaluation du risque posé par les perturbations EM sur l’intégrité du fonctionnement des composants électroniques dans des conditions de fonctionnement réalistes.

L’approche conventionnelle de validation de la CEM suppose que le respect des limites CEM, vérifié par des méthodes de test standards, est suffisante pour garantir l’absence de risque de défaillances EM, même dans un scénario pire cas. Dans le cas des circuits intégrés (CI), cette approche repose notamment sur la caractérisation de l’immunité des CI aux perturbations RF (harmoniques) définies par le standard IEC 62132 [1]. Ces essais sont très généralement complétés par des essais d’immunité aux perturbations transitoires rapides, durant lesquels les CI sont soumis à des formes d’onde standards [2] [3]. Durant l’ensemble de ces tests, les CI fonctionnent dans des conditions nominales et dans des environnements maitrisés.

Pour différentes raisons, il est cependant permis de douter de la capacité d’une telle approche à évaluer le risque de dysfonctionnements liés aux perturbations EM pour des composants ou des systèmes électroniques critiques du point de vue de la sûreté de fonctionnement. En effet, les méthodes actuelles de test de la CEM ne prévoient pas nécessairement les conditions de fonctionnement réelles et leurs effets sur les circuits électroniques, comme les défaillances ou le vieillissement. Par exemple, l’immunité est rarement testée dans des conditions pouvant conduire à un dysfonctionnement (ex : haute température ou court-circuit d’une phase d’un bras d’onduleur). L’intégrité des mécanismes de détection de fautes est rarement évaluée en présence de perturbations électromagnétiques, ce qui peut pourtant dégrader la sûreté de fonctionnement. Par ailleurs, les perturbations appliquées pendant les essais sont définies par des formes d’onde simples qui restent éloignées de celles rencontrées dans les véritables environnements EM (par exemple, perturbations multifréquentielles, perturbations transitoires de forme arbitraire). En outre, les méthodes d’essais en CEM ne prévoient pas d’injections simultanées sur différentes broches d’un composant ou d’un système.

Depuis plusieurs années, cette approche est remise en question par de nombreux experts [4]. Les évolutions récentes de la directive européenne CEM la font tendre vers une approche basée sur le risque [5], où l’évaluation de la CEM devrait considérer l’ensemble des conditions de fonctionnement et des configurations du système pendant sa durée de vie. Cependant, en raison de contraintes budgétaires et de retards de mise sur le marché, l’industrie rechigne à réaliser des essais CEM plus exhaustifs. Afin de pallier ces problèmes et développer une approche basée sur le risque pour la CEM, il est nécessaire de développer des méthodes d’essais CEM qui permettent l’évaluation du risque. Celles-ci se doivent d’être suffisamment représentatives des conditions et des environnements de fonctionnement, tout en optimisant le coût et les durées des essais. Cela passe non seulement par la mise au point d’une méthode d’analyse des risques EM qui va conduire à la proposition d’une file d’essais CEM adaptés, ainsi qu’au développement de méthodes de mesures CEM suffisamment rapides et permettant d’évaluer le risque EM.

La directive européenne CEM s’applique aux systèmes et l’on peut donc s’interroger sur la manière de transposer une approche basée sur le risque à la CEM des CI. Cette question est loin d’être triviale puisque l’évaluation du risque dépend de l’application finale et de son environnement, qui ne sont pas parfaitement connus du concepteur du CI.



Sujet de recherche
La thèse proposée s'inscrit dans le projet CEMASURF (Compatibilité ElectroMAgnérique et SÛReté de Fonctionnement d’électronique embarquée), proposé en partenariat avec NXP Semiconductor et Nexio. Ce projet vise à développer des méthodes de test et de simulation afin d’améliorer l’évaluation du risque causé par les perturbations électromagnétiques des systèmes électroniques embarqués, et plus particulièrement des CI.
Les objectifs de cette thèse sont multiples :
• Proposer une méthode d’analyse du risque EM au niveau d’un CI, afin de définir une file d’essais CEM à appliquer aux CI
• Proposer des méthodes d’essais CEM rapides et permettant d’évaluer les risques EM dans le cas d’environnements EM complexes (par exemple : perturbations multitons, perturbations transitoires quelconques appliquées simultanément avec des perturbations harmoniques, perturbations couplées simultanément sur plusieurs broches d’un circuit).
• Proposer des méthodes d’essais CEM rapides permettant de tester et d’évaluer l’intégrité des mécanismes de détection de fautes embarquées à l’intérieur des CI
• En outre, ces méthodes d’essais CEM doivent permettre le développement d’approches basées sur les modèles pour la prédiction du risque.
Les travaux de thèse s’appuieront sur les travaux récents menés sur le thème risk-based EMC, et notamment sur les travaux de l’équipe ESE du LAAS sur l’utilisation de générateurs multitons pour analyser et classer rapidement la nature de la réponse des CI face aux perturbations EM complexes [6] [7]. Les concepts proposés et développés durant cette thèse seront testés et validés sur deux types de cas d’études applicatifs du secteur des transports et de l’espace : un démonstrateur d’une chaine de traction pour véhicule électrique, un bus de communication dans un nanosatellite. Les travaux menés dans cette thèse pourront servir de base pour une réflexion sur les évolutions à apporter aux standards de test de la CEM des circuits.

Contexte de travail

La thèse s'effectuera au sein du laboratoire du LAAS-CNRS et de l'équipe Energie et Systèmes Embarqués. Elle s'inscrit dans le projet CEMASURF (Compatibilité ElectroMAgnérique et SÛReté de Fonctionnement d’électronique embarquée), proposé en partenariat avec NXP, Airbus et Nexio.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.