Aller au contenu

Surge et Burst (IEC 61000-4-5 / 4-4) : transitoires

Guide · Immunite EMC aux transitoires conduits

Les essais Surge IEC 61000-4-5 et EFT/Burst IEC 61000-4-4 forment le coeur de l'immunite aux transitoires conduits dans le referentiel CEM. Mandatoires pour toute mise sur le marche europeen sous la directive CEM 2014/30/UE, ils sont references par EN 55035 (equipements multimedia), EN 55024 (equipements de traitement de l'information), EN 60601-1-2 (dispositifs medicaux) et de nombreuses normes produit verticales. Cette page detaille les formes d'onde, les niveaux de severite par classe et par type de port, les reseaux de couplage et decouplage, la metrologie de la pince capacitive et les criteres de performance A, B et C, ainsi que les pieges classiques observes en pre-conformite.

Surge et Burst representent deux familles physiques de transitoires conduits que tout produit electronique connecte au reseau ou a des cables externes doit affronter. Les separer est un choix delibere des comites IEC : leur energie, leur duree et leur mecanisme de couplage different trop pour qu'une seule norme couvre les deux.

  • Surge (IEC 61000-4-5). Impulsion unique de forte energie, typiquement issue d'une foudre induite sur le reseau ou d'une commutation de transformateur de distribution. Forme d'onde lente (microsecondes), energie elevee, capable de detruire les composants si la protection est insuffisante.
  • EFT/Burst (IEC 61000-4-4). Salve repetitive d'impulsions tres rapides issues de la commutation de charges inductives (relais, contacteurs, moteurs, eclairage industriel). Forme d'onde rapide (nanosecondes), energie individuelle faible mais spectre large s'etalant jusqu'a quelques centaines de megahertz, capable de provoquer des perturbations logiques sur les liaisons numeriques.

Un produit peut etre robuste a l'un et vulnerable a l'autre. Les mecanismes de protection different : varistances et eclateurs pour Surge, condensateurs de decouplage et selfs de mode commun pour Burst. C'est pourquoi les deux essais sont systematiquement combines dans les normes harmonisees CEM.

IEC 61000-4-5 s'applique aux ports suivants d'un equipement electrique ou electronique.

Type de portCouplage typiqueImpedance sourceForme d'onde par defaut
Alimentation ACCouplage capacitif via reseau de couplage/decouplage (CDN)2 ohmCombinaison 1,2/50 us + 8/20 us
Alimentation DCCouplage capacitif via CDN2 ohmCombinaison 1,2/50 us + 8/20 us
Port signal symetrique (court, moins de 30 m)CDN type S42 ohmCombinaison 1,2/50 us + 8/20 us
Port telecom exterieurCDN dedie40 ohm10/700 us et 5/320 us
Liaison ethernet > 30 mCDN ethernet ou pince selon norme produit42 ohmCombinaison 1,2/50 us + 8/20 us ou variante telecom

Les ports purement internes a un boitier (bus interne entre deux cartes voisines) ne sont pas concernes. La regle pratique est : tout port susceptible de connecter un cable sortant du boitier doit etre evalue.

Le generateur de Surge, designe Combination Wave Generator (CWG), produit simultanement deux profils selon la charge.

  • A vide (haute impedance) : tension impulsionnelle de profil 1,2 us de temps de montee et 50 us de duree a mi-hauteur. C'est la tension nominale d'essai.
  • En court-circuit (basse impedance) : courant impulsionnel de profil 8 us de temps de montee et 20 us de duree a mi-hauteur. C'est le courant nominal d'essai.

Le rapport tension a vide / courant de court-circuit donne l'impedance source du generateur, fixee a 2 ohm pour les ports d'alimentation. La meme impulsion devient ainsi un essai de tension pour un produit a haute impedance d'entree et un essai de courant pour un produit a basse impedance d'entree. Le CWG est calibre individuellement et son certificat de calibration fait partie integrante du dossier.

Pour les ports signaux courts, le CDN ajoute une impedance serie portant l'impedance source effective a 12 ohm (port signal a haute impedance) ou 42 ohm (port signal symetrique).

Pour les ports telecom exterieurs, la forme d'onde bascule vers une 10/700 us en tension et 5/320 us en courant, avec une impedance source de 40 ohm, decrite a l'annexe correspondante de la norme et alignee sur les recommandations UIT-T K.20 et K.21 pour la resistibilite des equipements en centre de telecommunication.

Les niveaux normatifs sont organises en quatre classes correspondant a des environnements de plus en plus severes.

ClasseEnvironnement typeNiveau ligne-terre (mode commun)Niveau ligne-ligne (mode differentiel)
1Environnement bien protege (laboratoire, salle controlee)0,5 kVnon applicable
2Environnement partiellement protege (bureau standard)1 kV0,5 kV
3Environnement industriel modere, residentiel et commercial2 kV1 kV
4Environnement industriel severe, lignes longues exterieures4 kV2 kV
XClasse ouverte, valeur a specifier par la norme produitA definirA definir

Pour un produit grand public ou un equipement multimedia couvert par EN 55035, le niveau cible courant sur le port AC est la Classe 3 (2 kV mode commun, 1 kV mode differentiel). Pour un dispositif medical sous EN 60601-1-2 edition 4, le port AC monte typiquement a 2 kV mode commun et 1 kV mode differentiel, avec un critere B obligatoire et un critere A souhaitable.

La methodologie d'application est specifiee precisement par IEC 61000-4-5.

  • Cinq impulsions positives et cinq impulsions negatives par niveau et par condition d'essai, soit dix impulsions minimum.
  • Espacement minimum d'une minute entre impulsions consecutives pour permettre aux varistances, eclateurs et autres elements de protection de se reinitialiser thermiquement.
  • Synchronisation par rapport a la phase secteur pour les ports AC : impulsions appliquees aux phases 0, 90, 180 et 270 degres de la sinusoide. La phase 270 degres correspond au pire cas pour un produit dont la diode de redressement entre en conduction au passage par zero.

Pour un port AC monophase, le total atteint typiquement 40 impulsions par niveau (5 polarites positives x 4 phases + 5 polarites negatives x 4 phases). Pour un port DC, la synchronisation phase secteur ne s'applique pas et le total reste a 10 impulsions par niveau.

Le CDN remplit deux fonctions simultanees critiques.

  1. Couplage : injecter l'impulsion du generateur sur la ligne de l'equipement sous test (EUT) au point voulu (ligne-terre, ligne-ligne).
  2. Decouplage : empecher l'impulsion de remonter vers le reseau d'alimentation amont et vers les autres equipements du laboratoire.

Le decouplage est realise par des selfs de mode commun et de mode differentiel dimensionnees pour bloquer la composante haute frequence de l'impulsion. Un CDN mal dimensionne (impedance trop faible, capacite parasite trop grande) laisse fuir l'energie vers l'amont, ce qui fausse la tension reellement appliquee a l'EUT et invalide la mesure. Le choix du CDN depend du type de port, de la tension nominale du reseau, du courant maximum et du nombre de conducteurs ; il est documente par le rapport.

IEC 61000-4-4 s'applique aux ports d'alimentation, de mise a la terre, de signal et de commande de tout equipement electrique ou electronique. La porte de mise a la terre fonctionnel est testee uniquement si elle est explicitement declaree par le fabricant comme une fonction du produit (mise a la terre via le chassis et non via le conducteur PE).

L'impulsion individuelle de Burst presente les caracteristiques suivantes.

ParametreValeur normee
Temps de montee5 ns +/- 30 %
Duree a mi-hauteur50 ns +/- 30 %
Frequence de repetition5 kHz ou 100 kHz (selon revision et niveau)
Duree d'une salve15 ms
Periode entre salves300 ms
Duree totale d'application par polarite1 minute minimum
Impedance source du generateur50 ohm

Une salve de 15 ms a 100 kHz contient donc 1 500 impulsions, et la sequence d'essai applique cette salve toutes les 300 ms pendant au moins une minute. Le total atteint quelques milliers de salves par polarite, soit plusieurs millions d'impulsions individuelles au final.

L'edition 2012 de la norme a introduit le choix entre 5 kHz et 100 kHz comme frequence de repetition. La frequence 100 kHz est preferee pour les essais modernes car elle reflete mieux les commutations rapides observees sur les reseaux d'energie modernes (variateurs de vitesse, alimentations a decoupage). Certaines normes produit anciennes referencent encore le 5 kHz historique.

ClasseEnvironnement typeNiveau port alimentationNiveau port signal
1Environnement bien protege0,5 kV0,25 kV
2Environnement protege1 kV0,5 kV
3Environnement industriel modere, residentiel2 kV1 kV
4Environnement industriel severe4 kV2 kV
XClasse ouverteA definirA definir

Pour un produit residentiel ou multimedia (EN 55035), la cible courante est la Classe 3 sur l'alimentation (2 kV) et Classe 2 sur les ports signaux longs (0,5 kV). Un dispositif medical sous EN 60601-1-2 va typiquement a 2 kV alimentation et 1 kV sur signal de longueur superieure a 3 m.

Le couplage de l'impulsion Burst sur l'EUT se fait par deux methodes selon le type de port.

  • Couplage direct par CDN : utilise pour les ports d'alimentation. Le CDN injecte l'impulsion sur chaque conducteur successivement et sur l'ensemble des conducteurs en mode commun. L'impedance de couplage interne au CDN est typiquement de 33 nF.
  • Couplage capacitif par pince (capacitive coupling clamp) : utilise pour les ports signaux et de commande dont les connecteurs ne se pretent pas a l'injection directe (ethernet, RS-485, audio, video). La pince est une structure metallique en deux demi-coquilles refermees sur le cable, realisant une capacite distribuee de 50 a 200 pF entre la masse de la pince et le faisceau interne. Cette capacite repartie sur la longueur de la pince (1 m typiquement) couple l'impulsion sans contact galvanique.

La position de la pince est normee : 0,1 m au-dessus d'un plan de masse de reference (ground reference plane), avec un cable EUT sortant a 90 degres de l'axe principal de la pince, et une terminaison cote EUT cote interface produit. Une position incorrecte introduit une variabilite d'impedance qui peut depasser un facteur 2 sur le niveau effectivement applique.

Pour EFT/Burst, le critere B est le critere par defaut dans les normes harmonisees CEM courantes (EN 55024, EN 55035, EN 60601-1-2). Le produit peut presenter une perturbation temporaire pendant la salve mais doit retrouver son fonctionnement nominal sans intervention apres la fin de l'application. Une perte de donnees temporaire est generalement admise, une perte de configuration ou un reset est rarement admis.

Pour situer ces deux essais dans le panorama IEC 61000-4 d'immunite conduite et rayonnee, le tableau ci-dessous compare les trois essais de transitoire les plus frequents.

EssaiNormeForme d'ondeMecanisme physique simuleCouplage typiqueNiveau typique Classe 3
ESD (decharge electrostatique)IEC 61000-4-20,7-1 ns / 60 nsDecharge d'un operateur ou d'un objet chargeContact ou air, par sonde manuelle4 kV contact, 8 kV air
EFT/BurstIEC 61000-4-45/50 ns en salvesCommutation de charges inductives sur le reseauCDN ou pince capacitive2 kV alimentation, 1 kV signal
SurgeIEC 61000-4-51,2/50 us tension, 8/20 us courantFoudre induite, commutation de transformateurCDN, capacitif ou direct2 kV mode commun, 1 kV mode differentiel

Lecture : ESD agit sur des temps tres courts (sub-nanoseconde) et des niveaux de tension eleves mais avec une energie totale faible. EFT/Burst agit sur des temps courts (nanoseconde) repetes en salves pour exciter la bande spectrale jusqu'a quelques centaines de megahertz. Surge agit sur des temps longs (microseconde) avec une energie unitaire elevee capable de detruire un composant non protege. Les trois essais sont systematiquement combines dans une campagne CEM complete.

Voir Tests RED pour le panorama des essais CEM applicables sous la directive RED, et Tests CE pour la directive CEM 2014/30/UE.

Surge et Burst sont deux entrees du chapitre IEC 61000-4 consacre aux techniques d'essai d'immunite. Le tableau suivant situe les essais conduits et leurs voisins directs.

NormePhenomeneType d'essai
IEC 61000-4-2ESDConduit ponctuel
IEC 61000-4-3Champ RF rayonneRayonne
IEC 61000-4-4EFT/BurstConduit transitoire
IEC 61000-4-5SurgeConduit transitoire
IEC 61000-4-6RF conduitConduit basse frequence
IEC 61000-4-8Champ magnetique 50/60 HzRayonne
IEC 61000-4-11Creux de tension et coupuresConduit alimentation
IEC 61000-4-12Ondes oscillatoires amortiesConduit transitoire

IEC 61000-4-12 (Ring Wave) est moins frequemment requise dans les normes harmonisees europeennes mais reste applicable pour certains environnements industriels nord-americains et pour les ports d'alimentation derriere des transformateurs HT/BT. Les deux variantes (oscillatoire amortie a 100 kHz et 1 MHz) reproduisent les transitoires dits damped oscillatory wave caracteristiques des commutations dans les postes electriques.

Pour un produit destine au reseau de bord d'un vehicule routier, IEC 61000-4-5 et IEC 61000-4-4 ne sont pas directement applicables. La norme de reference devient ISO 7637-2, qui definit ses propres impulsions caracteristiques de la physique automobile.

Impulsion ISO 7637-2Phenomene simuleNiveau crete
Pulse 1Coupure d'une charge inductive en parallele de l'EUT-75 a -150 V
Pulse 2aCoupure d'un courant dans un cablage proche+37 a +112 V
Pulse 2bCoupure du contact apres extinction du moteur+10 V (continu attenue)
Pulse 3a / 3bSalves rapides similaires a EFT/Burst-150 a +100 V
Pulse 4Demarreur (variation de tension lente)-7 V
Pulse 5a / 5bLoad dump (deconnexion de la batterie sous charge alternateur)jusqu'a +87 V crete

Le pulse 5b en particulier (load dump avec protection alternateur) reste le pire cas du reseau de bord et conditionne le dimensionnement de la protection en entree de tout module electronique automobile. Un produit certifie IEC 61000-4-5 a 2 kV n'est jamais automatiquement certifie ISO 7637-2 : la physique des transitoires automobiles n'a pas le meme profil energetique ni la meme impedance source. Une nouvelle campagne dediee est requise.

Les rejets observes en laboratoire CEM proviennent en grande majorite de quelques causes recurrentes.

  1. Classification de port erronee. Un port ethernet declare en port signal court alors qu'il est destine a une liaison batiment ou exterieure doit recevoir l'essai telecom 10/700 us et non la combinaison classique 1,2/50 us. La classification figure au plan d'essai et conditionne le CDN, la forme d'onde et le niveau. Une erreur a ce niveau invalide toute la campagne sur ce port.

  2. CDN inadapte a l'impedance et au courant du port. Le CDN doit etre choisi en fonction du nombre de conducteurs, de la tension nominale, du courant maximum et de la frequence (50 Hz, 60 Hz, DC). Un CDN sous-dimensionne en courant chauffe et derive en impedance ; un CDN sur-dimensionne presente une capacite parasite excessive qui attenue l'impulsion. Le rapport doit citer le modele et le certificat de calibration du CDN utilise.

  3. Positionnement de la pince capacitive non conforme. Distance au plan de masse, longueur de couplage, terminaison du cable EUT, isolation des autres cables : chaque parametre est specifie par IEC 61000-4-4. Un ecart introduit une variabilite d'impedance pouvant atteindre un facteur 2 sur le niveau effectivement applique au cable. La photo de la configuration de pince est exigee par certains organismes notifies.

  4. Confusion d'impedance source. Surge applique 2 ohm sur AC, 12 ohm sur signal a haute impedance, 42 ohm sur signal symetrique et 40 ohm sur telecom. EFT/Burst applique 50 ohm sur l'impulsion. Un essai realise avec la mauvaise impedance source ne traduit pas le scenario physique cible et n'est pas conforme a la norme. L'erreur la plus frequente est d'utiliser le CDN signal pour un essai destine aux ports d'alimentation, ce qui sous-evalue l'energie effectivement transmise.

  5. Omission de la synchronisation phase secteur. Pour les essais Surge sur port AC, les impulsions doivent etre injectees aux phases 0, 90, 180 et 270 degres de la sinusoide secteur. Un essai realise en mode asynchrone (impulsions a des phases aleatoires) ne couvre pas le pire cas et n'est pas conforme a la procedure normative. Le generateur Surge doit donc disposer d'une entree de synchronisation reseau ou d'un capteur de phase interne.

Articulation avec la directive CEM et la directive RED

Section intitulée « Articulation avec la directive CEM et la directive RED »

Au sein de l'Union europeenne, Surge et Burst sont references dans toutes les normes harmonisees d'immunite CEM listees au JOUE pour les directives 2014/30/UE (CEM) et 2014/53/UE (RED).

  • EN 55035 (equipements multimedia residentiels et commerciaux) : Surge 2 kV / 1 kV sur AC, EFT/Burst 1 kV sur AC, 0,5 kV sur signaux.
  • EN 55024 (equipements de traitement de l'information, en transition vers EN 55035) : niveaux identiques.
  • EN 60601-1-2 edition 4 (dispositifs medicaux) : Surge 2 kV / 1 kV, EFT/Burst 2 kV / 1 kV, criteres typiquement plus stricts (A souhaite).
  • EN 61000-6-1 (immunite generique residentiel/commercial/industriel leger) : Surge 1 kV / 0,5 kV, EFT/Burst 1 kV / 0,5 kV.
  • EN 61000-6-2 (immunite generique industriel) : Surge 2 kV / 1 kV, EFT/Burst 2 kV / 1 kV.

La selection de la norme produit applicable depend de la classification du produit. La norme generique EN 61000-6-x s'applique en l'absence de norme verticale dediee. Voir le Glossaire pour les definitions des termes employes ici (CDN, EFT, Surge, criteres A/B/C).

Pour planifier une campagne Surge et Burst integree a un dossier CEM, voici les ordres de grandeur observes dans un laboratoire europeen accredite ISO/IEC 17025.

ConfigurationDuree campagne 4-4 + 4-5
Produit mono-port AC, sans signaux longs0,5 a 1 jour
Produit AC + 2 a 4 ports signaux courts1 a 2 jours
Produit AC + signaux + port telecom 10/700 us2 a 4 jours
Dispositif medical EN 60601-1-2 multi-mode3 a 5 jours
Equipement industriel Classe 42 a 4 jours

La duree depend du nombre de ports a tester, du niveau cible (Classe 4 exige des generateurs plus puissants et plus rares en parc laboratoire) et du nombre de modes operatoires a couvrir pour les criteres A et B.

  • Surge IEC 61000-4-5 et EFT/Burst IEC 61000-4-4 sont les deux essais d'immunite aux transitoires conduits exiges par toute norme produit CEM europeenne.
  • Surge : impulsion unique 1,2/50 us (tension) et 8/20 us (courant), impedance 2 ohm AC, 12-42 ohm signal, 40 ohm telecom (10/700 us). Niveaux 0,5 a 4 kV selon classe.
  • EFT/Burst : salves repetitives 5/50 ns a 5 kHz ou 100 kHz, 15 ms par salve toutes les 300 ms. Niveaux 0,25 a 4 kV selon classe et port. Impedance source 50 ohm.
  • Couplage : CDN dedie pour l'alimentation et certains signaux, pince capacitive pour les signaux non injectables directement.
  • Criteres de performance A (pas de degradation), B (degradation temporaire avec recuperation automatique), C (perte acceptee avec intervention operateur). Le critere B est le defaut courant.
  • ISO 7637-2 remplace Surge et Burst pour les produits automobiles : impulsions specifiques au reseau de bord 12 V / 24 V, niveaux jusqu'a plusieurs centaines de volts en transitoire, impedance source plus faible.
  • Pieges classiques : classification de port, CDN inadapte, positionnement de pince capacitive, impedance source incorrecte, omission de la synchronisation phase secteur.

Pour le contexte CEM directive, voir Tests CE. Pour les essais RED sante et CEM, voir Tests RED. Pour les definitions des termes utilises, voir le Glossaire.

Sources & références

  1. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017, Techniques d'essai et de mesure, essai d'immunite aux ondes de choc , IEC webstore.iec.ch/publication/4079
  2. IEC 61000-4-4:2012, Techniques d'essai et de mesure, essai d'immunite aux transitoires electriques rapides en salves , IEC webstore.iec.ch/publication/4193
  3. ISO 7637-2:2011, Vehicules routiers, perturbations electriques par conduction et couplage, transitoires sur lignes d'alimentation , ISO www.iso.org/standard/50925.html
  4. EN 55035:2017+A11:2020, Compatibilite electromagnetique des equipements multimedia, exigences d'immunite , CENELEC www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:::::FSP_PROJECT,FSP_LANG_ID:64483,25
  5. Recommandation UIT-T K.20, resistibilite des equipements de telecommunication installes dans un centre de telecommunication , UIT-T www.itu.int/rec/T-REC-K.20
  6. IEC 61000-4-12:2017, Techniques d'essai et de mesure, essai d'immunite aux ondes oscillatoires amorties , IEC webstore.iec.ch/publication/28729