Votre convertisseur fonctionne parfaitement en laboratoire. Mais une fois arrivé au laboratoire de CEM, le test échoue. Pire encore, il arrive pendant le transport et bloque une liaison sans fil à proximité.
On ne peut pas considérer les interférences électromagnétiques comme une simple formalité. Dans la conversion CA-CC, la suppression des EMI protège simultanément trois éléments : la conformité réglementaire, la sécurité des produits et la fiabilité à long terme du système. Les problèmes de compatibilité électromagnétique apparaissent souvent tardivement, au moment où une refonte est la plus coûteuse.
Commencez par analyser la physique. Identifiez la source du bruit, suivez le chemin de couplage, puis choisissez le filtre. Ce guide s'adresse aux ingénieurs en matériel et aux équipes produit qui doivent quotidiennement trouver un équilibre entre la conception des cartes et les contraintes de fabrication.
Points clés à retenir
Commencez par identifier la source du bruit et le chemin de couplage. Ensuite, choisissez le filtre approprié.
Le bruit en mode différentiel nécessite un filtre LC. Le bruit en mode commun nécessite une inductance et un condensateur Y.
Placez les filtres d'entrée au niveau du connecteur. Maintenez le retour du condensateur Y court-circuité au châssis.
Amortissez chaque étage LC pour éviter les oscillations et maintenir la stabilité de l'entrée.
Effectuez des tests de pré-conformité en laboratoire dès que possible afin de détecter les émissions avant les analyses en laboratoire.
Sources de bruit dans la conversion AC-DC
Le compromis en matière d'efficacité de commutation
Chaque étage de conversion AC-DC implique un compromis entre rendement et bruit. On augmente la fréquence de commutation pour réduire la taille du transformateur et les pertes dans le noyau. Cependant, cette même transition rapide engendre des variations brusques de tension et de courant. Ces transitions rapides se traduisent par des dv/dt et di/dt élevés, qui contribuent aux émissions conduites et rayonnées.
Vous êtes face à une tension réelle. Une fréquence de commutation plus élevée améliore la densité de puissance des alimentations à découpage, mais elle déplace l'énergie harmonique vers des bandes de fréquences où votre filtre est moins performant. Des fronts de commutation plus lents atténuent le spectre électromagnétique, mais consomment davantage d'énergie au niveau du commutateur. Il convient de considérer cela comme une variable de conception , et non comme un réglage fixe. Choisissez conjointement la fréquence de commutation et la tension de commande de grille, puis analysez rapidement le spectre résultant.
Lecture du bruit par analyse de Fourier
Un signal de commutation est un train d'impulsions périodiques. L'analyse de Fourier décompose ce train en une fréquence fondamentale et ses harmoniques. L'amplitude des harmoniques diminue avec la fréquence, et la pente de l'enveloppe dépend des temps de montée et de descente. On peut s'en servir pour prédire les zones d'émissions les plus critiques avant même la fabrication du circuit imprimé.
Les fréquences de coupure dans le spectre proviennent de la transformée de Fourier du signal codé par impulsions. Une étude a établi ces équations de coupure pour le train d'impulsions seul, et non pour le convertisseur complet. Les fréquences de coupure simulées et mesurées concordent étroitement avec les équations obtenues, et les auteurs ont réservé la dérivation pour le convertisseur complet à des travaux ultérieurs.
La dérivation théorique des fréquences de réjection est présentée. Les équations obtenues correspondent à la transformée de Fourier de signaux codés par impulsions plutôt qu'au système de conversion complet. Les fréquences de réjection simulées et expérimentales concordent étroitement avec les équations théoriques, tandis que la dérivation pour le convertisseur complet est reportée à des travaux ultérieurs.
Ce résultat doit être utilisé avec précaution. Le modèle de train d'impulsions fournit une première estimation utile pour la planification de la réduction du bruit dans les convertisseurs AC/DC. Il ne prend pas en compte toutes les résonances des alimentations à découpage ; il est donc important de confirmer la prédiction par des essais en laboratoire.
Principaux mécanismes de couplage pour les interférences électromagnétiques
Le bruit a besoin d'un chemin pour devenir un problème. On peut classer les principaux mécanismes de couplage des interférences électromagnétiques en deux familles. Chaque famille agit différemment et requiert une solution spécifique.
Voies conductrices et radiatives
Le couplage par conduction nécessite un contact direct. La source et le récepteur partagent un fil, un câble, une piste de circuit imprimé ou un boîtier métallique. Le bruit se propage alors le long de ce conducteur sous forme de courant en mode commun ou en mode différentiel. Le couplage par rayonnement fonctionne différemment. La source et le récepteur agissent comme des antennes radio. La source émet une onde électromagnétique dans l'espace, et le récepteur la capte.
Chemin de couplage | Mécanisme | Principales caractéristiques |
|---|---|---|
Conducteur | Voie de contact direct entre la source et le récepteur | Formé par une ligne de transmission, un fil, un câble, une piste de circuit imprimé ou un boîtier métallique ; le bruit apparaît en mode commun ou en mode différentiel sur les conducteurs. |
Rayonné | L'émetteur et le récepteur agissent comme des antennes radio. | La source émet une onde électromagnétique qui se propage dans l'espace et est captée par la victime. |
Le couplage inductif, capacitif et magnétique, existe également. Il est à considérer comme rare comparé aux chemins conducteurs et rayonnés. Lors du dépannage d'une carte défaillante, vérifiez successivement le rayonnement, la conduction, puis le couplage inductif ou capacitif. Les deux premiers expliquent la plupart des pannes.
Pourquoi les formes de disposition sont-elles couplées ?
La conception du circuit imprimé détermine l'intensité de chaque mécanisme de couplage électromagnétique. Un séminaire technique a démontré ce phénomène à l'aide d'un convertisseur DC/DC réel et mesuré. Différentes configurations de circuit imprimé ont modifié directement la signature électromagnétique du convertisseur. Le placement et le choix des composants passifs ont également influencé les performances CEM. Ce même séminaire a présenté des stratégies de filtrage permettant de respecter les limites de la norme CISPR32 Classe B, de 150 kHz à 1 GHz. Cette plage de fréquences montre que le couplage induit par la conception du circuit imprimé doit être géré en parallèle du filtrage.
La proximité des composants est importante à l'intérieur même du filtre :
Le couplage magnétique en champ proche entre les inductances PFC et CM peut dégrader la perte d'insertion du filtre EMI.
La disposition, le blindage et la conception de la bobine d'arrêt CM réduisent ce couplage magnétique en champ proche et suppriment le bruit.
Le couplage entre deux condensateurs en parallèle modifie le comportement du filtre ; un couplage mutuel négatif peut compenser l’ESL du condensateur.
Dans un filtre CLC, l'équilibrage du couplage inductif et capacitif parasite entre les condensateurs optimise les performances.
Dans un filtre à deux étages, une méthode d'intégration d'inductance en série exploite le couplage en champ proche pour améliorer les performances DM à basse fréquence.
Une bonne conception réduit les émissions avant même l'ajout de tout filtre. Corrigez d'abord la géométrie, puis ajustez le filtre.
Bruit en mode différentiel vs. bruit en mode commun
Définition du bruit DM et CM
On ne peut éliminer le bruit sans savoir quel mode le véhicule. Les deux modes diffèrent par leur direction, leur trajet et leur solution.
Le mode commun désigne les signaux ou le bruit qui circulent dans le même sens sur une paire de lignes ; le mode différentiel (normal) désigne les signaux ou le bruit qui circulent dans des directions opposées sur une paire de lignes.
Le bruit en mode différentiel se propage sur un conducteur et revient par son chemin de retour. Le bruit en mode commun circule de la même manière sur les deux conducteurs et revient par la masse ou le châssis. Cette différence détermine le filtre à choisir.
Aspect | Bruit en mode différentiel | Bruit en mode commun |
|---|---|---|
Définition | Le bruit est transmis par deux conducteurs, un à l'aller et un au retour. | Courant parasite qui entre quel que soit le sens d'aller/retour et qui circule de la même manière à travers deux conducteurs |
Direction actuelle | Sens opposés (les courants s'annulent) ; également appelé mode normal | Même direction dans les deux conducteurs |
Propagation | Reste à l'intérieur de la paire de lignes d'alimentation/de signal | Se répand sur une vaste zone, bien qu'à de faibles niveaux de tension. |
Origine typique | Courants d'alimentation et de signal | Bruit rayonné se propageant à travers un boîtier métallique ou un plancher vers d'autres équipements |
Suppression | Coupure par filtres LC (inductance + condensateur) | Les filtres LC ne fonctionnent pas ; il faut un filtre de mode commun et un condensateur à l'entrée. |
Un filtre LC seul ne suffit pas à bloquer les interférences électromagnétiques en mode commun . Il vous faut une inductance de mode commun et un condensateur à l'entrée.
Mesure du bruit avec un LISN
Un réseau de stabilisation d'impédance de ligne fournit une référence stable pour les mesures de bruit d'un convertisseur AC/DC. Il impose une impédance au convertisseur et isole le réseau. Le réseau génère deux tensions : Vp sur la phase et Vn sur le neutre. Celles-ci sont liées aux courants de mode par les équations Vp = 50(ICM + IDM) et Vn = 50(ICM − IDM), la valeur 50 étant exprimée en ohms. En additionnant ces deux tensions, le terme différentiel s'annule, ce qui donne le double de la tension de mode commun. En les soustrayant, le terme de mode commun s'annule également, ce qui donne le double de la tension de mode différentiel. Il est important d'effectuer cette opération avant la mesure, car l'analyseur perd l'information de phase.
Une séquence pratique est utile :
N'oubliez pas qu'un LISN mesure la somme des deux modes et ne peut pas les séparer individuellement.
Fixez une sonde de courant RF autour de la phase et du neutre pour mesurer le courant de mode commun.
Faites passer les deux fils dans des directions opposées à travers la sonde pour lire le courant en mode différentiel ; la lecture est supérieure de 6 dB.
Restez en dessous du courant maximal admissible par la sonde.
Comparez les deux lectures pour déterminer quel mode domine , puis dimensionnez le filtre.
Cette étape indique s'il faut ajouter une inductance DM ou des condensateurs X. Elle permet également de déterminer si les émissions conduites proviennent du mode commun.
Sélection des filtres EMI pour les entrées CC/CC
Lors du choix de filtres EMI pour une entrée DC/DC, il convient de déterminer au préalable la fréquence de coupure requise. La fréquence de coupure du filtre LC doit être réglée à environ un dixième de la fréquence de commutation. Un convertisseur de 1 MHz nécessite donc une fréquence de coupure de 100 kHz. Avec cet écart, un filtre EMI passe-bas du second ordre idéal offre une atténuation d'environ 40 dB sur la fréquence fondamentale. En pratique, l'atténuation est moindre, souvent autour de 30 dB, car l'inductance des condensateurs et des pistes atténuent la courbe de réponse.
Paramètre | Objectif | Note pratique |
|---|---|---|
Fréquence de coupure | Environ 1/10 de la fréquence de commutation | Atténuation idéale proche de 40 dB à la fréquence fondamentale |
Pente d'atténuation | 40 dB/décade idéal | Les parasites réduisent la pente réelle |
valeur de l'inductance | 0.47 µH à 22 µH | Une inductance plus faible réduit la résistance en courant continu et la taille. |
1 µF à 100 µF | Vérifiez la tension nominale et la dérive thermique. | |
Amortissement Q | 0.5 à 0.8 ans, qui | Ajoutez un condensateur d'amortissement de 3 à 4 fois la capacité d'entrée. |
Principes de base des filtres LC et chute de tension
Un étage passe-bas LC unique est la solution la plus simple. Un filtre π ou un réseau multi-étages conviennent aux contraintes plus strictes ou aux impédances de source très variables. L'ajout d'étages capacitifs améliore l'atténuation des hautes fréquences, mais augmente le courant d'appel et modifie l'amortissement. Il est impératif de vérifier la stabilité après chaque ajout d'étage.
Surveillez la chute de tension continue aux bornes de l'inductance. La résistance en courant continu (DCR) réduit la marge de sécurité, et un composant dimensionné pour un courant de crête peut saturer lors d'un branchement à chaud. Dimensionnez l'inductance pour le courant de crête, et non pour le courant moyen. Limitez la boucle de courant à variation continue (di/dt) : placez l'inductance près des broches d'entrée du convertisseur et empruntez un chemin de retour court.
Amortissement pour la stabilité et la réduction du CM
Un filtre non amorti présente des oscillations. L'impédance de sortie du filtre doit rester nettement inférieure à l'impédance d'entrée du convertisseur sur toute la bande passante de la boucle de régulation. C'est le critère de Middlebrook ; l'ignorer entraîne des chutes de tension importantes, des surtensions prolongées et des oscillations d'entrée. Vous pouvez vérifier et choisir les filtres EMI grâce à cette règle avant même de toucher un fer à souder.
Plusieurs options d'amortissement existent :
Les matériaux magnétiques à pertes élevées (Micrometals Mix-41, 44 et 73) amortissent les résonances du filtre tout en laissant passer le courant fondamental.
Les circuits d'amortissement maintiennent le pic à la fréquence de coupure en dessous de 2 à 3 dB, ce qui empêche l'amplification du bruit dans des tests tels que MIL-STD-461F/G CS101.
Les circuits d'amortissement RC et l'amortissement résistif dans les condensateurs de filtrage stabilisent la réponse.
L'amortissement actif est une autre option lorsque les composants passifs prennent trop de place sur la carte.
Utilisez l'analyse de la réponse en fréquence pour vérifier l'amortissement, et non pas uniquement des tests temporels. Un compromis mérite attention : augmenter le gain de la boucle de rétroaction améliore la réduction du bruit et le filtrage des interférences électromagnétiques, mais peut réduire la marge de phase si aucune compensation n'est effectuée. Pour le mode commun, ajoutez une inductance et un condensateur Y à l'entrée ; un étage LC seul ne suffira pas. Ces types de filtres EMI fonctionnent de concert, et leur combinaison optimale permet de maintenir les émissions sous la limite autorisée.
Conception d'un étage d'entrée AC/DC pour de faibles interférences électromagnétiques
Redressement, condensateurs de forte capacité et limitation du courant d'appel
L'étage d'entrée détermine le niveau de bruit pour tous les composants suivants. Commencez par le condensateur de filtrage . Un condensateur électrolytique non chargé se comporte comme un court-circuit continu lors de la mise sous tension. Ce court-circuit génère un fort courant d'appel, et la surtension qui en résulte sollicite fortement les redresseurs, les fusibles, les connecteurs et le condensateur lui-même. Dimensionnez votre limiteur de courant d'appel en fonction de l'énergie stockée et de la fréquence de ce phénomène, et non pas seulement lors du premier branchement.
L'ESR d'un condensateur varie plus que l'ondulation. Une ESR très faible peut augmenter les courants de crête du redresseur ; il est donc important d'équilibrer le choix du composant avec l'agencement du circuit et une faible résistance en série, plutôt que de se fier uniquement au condensateur. Lors du remplacement d'un composant, vérifiez l'ESR en fonction de la fréquence et la réduction de l'ondulation. La capacité et la tension, et non la seule capacité, déterminent la durabilité du composant, compte tenu de son courant d'ondulation nominal et de son ESR.
Paramètre / Choix | Effet sur Ripple | Effet sur le courant d'appel / contrainte du redresseur | Note de conception |
|---|---|---|---|
ESR du condensateur (trop faible) | Modifie l'ondulation de sortie ; interagit avec l'ESL pour le couplage du ronflement/bruit | Une ESR très faible peut augmenter les courants de crête du redresseur. | Équilibrage via la disposition et une petite résistance en série optionnelle |
ESR du condensateur (différent de l'original) | Modifie l'ondulation de sortie et la stabilité de la boucle de contrôle | Modifie le comportement d'afflux | Vérifier la résistance série équivalente (ESR) en fonction de la fréquence et du déclassement de l'ondulation |
Courant de courant Ripple | Un substitut de moindre qualité peut chauffer davantage et vieillir plus vite. | - | Le courant d'ondulation et la résistance série équivalente (ESR) déterminent la capacité de survie. |
capacité de masse | - | Un condensateur électrolytique non chargé ressemble à un court-circuit en courant continu à la mise sous tension. | Utilisez une thermistance NTC, un limiteur actif ou une résistance/un relais de précharge. |
Redresseur / emplacement du nœud de retour | Placer le condensateur près du redresseur réduit le couplage par ondulation | - | La mise à la terre en étoile et le filtrage RC/LC protègent les rails sensibles. |
Condensateurs en parallèle | Augmente la capacité de propagation et diminue la résistance série équivalente (ESR) effective | - | Le routage symétrique du cuivre et les zones de boucle adaptées répartissent le courant de manière uniforme. |
Placez le condensateur de découplage près du redresseur et du nœud de retour. La mise à la terre en étoile et le filtrage RC ou LC sur les rails sensibles réduisent le ronflement et le couplage du bruit. La mise en parallèle des condensateurs augmente la tolérance à l'ondulation et diminue la résistance série équivalente (ESR) effective, à condition de répartir le cuivre uniformément et d'adapter les sections des boucles pour une répartition égale du courant.
Pour le courant d'appel, une thermistance NTC est économique et simple, mais elle chauffe beaucoup et consomme de l'énergie après le démarrage. La limitation active est plus coûteuse et nécessite une logique de contrôle, mais elle élimine les pertes en régime permanent. Il est important de comparer la marge thermique disponible au coût des composants et à la complexité d'assemblage avant de faire votre choix.
PFC, condensateurs Y et inductances de mode commun
Un étage PFC ajoute son propre bruit de commutation au convertisseur principal. Sa fréquence de commutation et ses harmoniques interagissent avec le filtre d'entrée ; il faut donc considérer le PFC et le filtre comme un seul et même problème de conception. Vérifiez la fréquence de coupure du filtre par rapport à la fréquence de commutation du PFC, puis confirmez l'atténuation en laboratoire.
Les condensateurs de sécurité sont intégrés au filtre EMI en amont de l'alimentation, souvent à proximité des selfs de ferrite sur le câble d'entrée et des selfs de mode commun ou différentiel dans les étages de filtrage. Les condensateurs de classe Y éliminent le bruit de mode commun en fournissant un point de dérivation commun à la terre. Pour une entrée CA alimentant une alimentation CC, un condensateur Y relie la phase à la terre et l'autre le neutre à la terre.
Les condensateurs Y sont conçus pour filtrer le bruit de mode commun et sont connectés entre la ligne et le châssis. Les produits d'entrée CA utilisent un filtre d'entrée intégré comprenant une inductance de mode commun ainsi que des condensateurs Y et X.
Composant
Placement (Connexion)
Rôle dans le filtrage des interférences électromagnétiques
Condensateurs Y (CY)
Ligne à la terre et neutre à la terre
Filtrer le bruit de mode commun
inductances de mode commun (L1, L2)
En série sur la ligne et le neutre
Fournir une inductance pour le filtrage en mode commun
Condensateurs X (CX)
Ligne à Neutre
Bruit en mode différentiel du filtre
Placez la bobine de mode commun avant les condensateurs Y sur le chemin du courant, et assurez-vous que le retour des condensateurs Y soit court et direct sur le châssis. Des pistes de retour trop longues augmentent l'inductance et dégradent le shunt. Cette configuration est essentielle pour une conception à faibles émissions électromagnétiques dans les alimentations à découpage AC/DC, et elle est cruciale lors du choix des filtres électromagnétiques pour des limites strictes. De bonnes performances en matière d'émissions électromagnétiques conduites dans les convertisseurs AC/DC dépendent autant de la géométrie de cet étage d'entrée que des valeurs des composants. Considérez la conversion AC/DC comme une chaîne : redresseur, étage de puissance, correcteur de facteur de puissance (PFC), puis filtres. Chaque maillon influence les émissions à supprimer.
Choix de topologie et de transformateur
Compromis entre les systèmes Flyback et LLC Resonant
La topologie choisie détermine le niveau de bruit avant même le choix du composant de filtrage. Un convertisseur flyback fait partie de la famille des convertisseurs PWM à commutation dure. Le transistor s'active alors qu'une tension élevée est encore présente à ses bornes. La capacité parasite se charge jusqu'à cette tension, puis libère son énergie à travers le transistor lors de l'activation. Cette énergie est dissipée sous forme de chaleur et d'interférences électromagnétiques.
Un convertisseur résonant LLC fonctionne différemment. Son circuit résonant aligne l'amorçage avec les formes d'onde naturelles de la tension et du courant, de sorte que l'interrupteur ne voit aucune tension (ZVS). La commutation douce réduit les pertes par effet Joule. Il en résulte une meilleure compatibilité électromagnétique à haute puissance, là où un convertisseur flyback à commutation dure rencontre des difficultés.
Attribut | Vol de retour | Résonant LLC |
|---|---|---|
Mode de commutation | Commutation brutale sous tension appliquée | Commutation douce via réservoir résonant (ZVS) |
Perte d'activation | L'énergie capacitive est dissipée sous forme de chaleur et d'émissions. | Commutation synchronisée avec les formes d'onde naturelles |
Implications des EMI | Pire encore à haute fréquence et haute tension | Pertes réduites, compatibilité améliorée |
Compromis de conception | Une réglementation plus simple | Meilleure gestion des émissions, réglementation plus complexe |
Le gain du convertisseur LLC s'accompagne d'une commande plus complexe. La régulation de la sortie nécessite généralement une modulation de fréquence, tandis que le circuit reste à tension nulle (ZVS). Privilégiez le convertisseur flyback pour une faible consommation et une commande simple. Optez pour le convertisseur LLC lorsque le rendement et les émissions sont tous deux importants à haute puissance.
Conception du transformateur et rétroaction par optocoupleur
Le transformateur se comporte autant comme une antenne que comme un composant magnétique. La disposition des enroulements dans la fenêtre influe directement sur l'inductance de fuite et la capacité parasite, deux paramètres qui déterminent les interférences électromagnétiques et le rendement. Un enroulement serré limite les fuites, réduisant ainsi l'énergie que le circuit d'amortissement ou le dispositif de limitation doit absorber. L'entrelacement renforce également le couplage, mais peut augmenter la capacité.
La capacité entre les enroulements couple le bruit de mode commun à travers la barrière d'isolation. Une capacité élevée dégrade les performances en mode commun et augmente la charge sur les filtres EMI. Une structure en sandwich (primaire-secondaire-primaire) réduit les fuites, mais complexifie l'isolation. Des enroulements de blindage et des inductances de mode commun sont souvent nécessaires pour respecter les limites de conduction et de rayonnement.
Remarque : le diamètre du fil est choisi intentionnellement. Un diamètre plus petit réduit la capacité parasite et l’effet de peau, mais entraîne une densité de courant plus élevée.
La boucle de rétroaction de l'optocoupleur se ferme au niveau de cette même barrière. Éloignez l'optocoupleur et son réseau de compensation du nœud de commutation et assurez-vous que la piste de rétroaction ne passe pas dans l'entrefer du transformateur. Le bruit injecté dans la boucle de rétroaction se manifeste par une gigue, laquelle étend le spectre des interférences électromagnétiques de manière non prévue par votre filtre. En conversion AC-DC, considérez le transformateur, la barrière et la boucle de rétroaction comme un seul et même problème d'implantation.
Stratégies de conception CEM et EMI pour l'implantation
Placement des filtres et chemins de courant haute fréquence
Une bonne stratégie de conception CEM et EMI commence par le chemin de retour. Le courant haute fréquence emprunte le chemin de moindre impédance, et non celui tracé sur le schéma. Assurez-vous que ce courant dispose d'un plan de masse solide ; il restera ainsi sous la piste. Évitez les dédoublements de masse sous les pistes haute fréquence. Si un dédoublement est inévitable, court-circuitez-le à l'aide d'un condensateur de liaison.
Placez vos filtres d'entrée au niveau du connecteur, avant que le bruit ne se propage sur la carte. Éloignez les régulateurs à découpage des sections RF et analogiques. Limitez la longueur des pistes haute fréquence et utilisez des coudes à 45° ou courbes plutôt que des angles droits.
Stratégie de mise en page | Pratique clé | Orientations |
|---|---|---|
Plan de masse solide | Appliquer une couche complète sur le sol | Maintient le courant de retour sous la trace |
Séparations au sol | Combler les lacunes avec des condensateurs de liaison | Raccordement des condensateurs à travers l'espace |
Traces de garde | Ligne sensible latéralement, mise à la terre avec vias | Espacement des vias de λ/20 ; diaphonie réduite jusqu'à ~20 dB |
Découplage | Composants en céramique à faible ESL près des broches d'alimentation | 0.01–0.1 µF à 1–2 mm des broches |
Impédance contrôlée | Adapter l'impédance de la piste au système | 50 Ω pour RF ; FR-4 εr ≈ 4.2 |
Lors du choix de filtres EMI, vérifiez leur emplacement, et pas seulement leurs caractéristiques. Un filtre placé après une piste longue capte les parasites déjà émis par cette piste. Testez les filtres EMI sur la carte réelle, en respectant le chemin de retour réel. Le filtrage est efficace uniquement si le condensateur de shunt est relié directement et rapidement à la masse.
Remarque : un condensateur de découplage placé loin de la broche ajoute de l'inductance et perd son effet à haute fréquence.
Ligne de fuite, dégagement et espacement IEC 62368
Les distances de sécurité limitent la conception de vos filtres avant même que les performances électriques ne le fassent. La norme IEC 62368 définit les distances d'isolement et de fuite à respecter de part et d'autre de la barrière d'isolation. Les condensateurs Y et les inductances de mode commun sont placés directement sur cette barrière. Leurs pastilles, pistes et fentes doivent respecter les distances requises.
Mesurez la distance de fuite en surface et la distance d'isolement dans l'air. Une fente pratiquée dans la carte augmente la distance de fuite sans en accroître la hauteur. Acheminez le retour du condensateur Y directement vers le châssis et évitez que d'autres pistes ne passent dans cette zone. Vérifiez à nouveau l'espacement après avoir déplacé un composant filtrant pour les émissions. Un circuit imprimé conforme aux limites de courant conduit peut néanmoins échouer à un contrôle de sécurité.
Normes, limites et préconformité
Limites de conduction et de rayonnement CISPR 32 et EN 55032
Les normes CISPR 32 et EN 55032 définissent les limites d'émission à respecter pour les équipements multimédias. Elles couvrent les émissions conduites et rayonnées. Les limites d'émissions conduites s'appliquent de 9 kHz à 30 MHz pour les équipements commerciaux. Les limites d'émissions rayonnées s'étendent de 30 MHz à plus de 30 MHz. Votre étage d'entrée CA/CC étant alimenté par le secteur, il est soumis à la limite d'émissions conduites maximale. Un étage CC/CC en aval reçoit une source d'alimentation plus silencieuse, mais son bruit de commutation est toujours réinjecté dans le convertisseur. Considérez l'entrée CA comme le point de test le plus exigeant.
Le LISN à utiliser dépend du type d'entrée. Pour le réseau secteur commercial, il faut un réseau 50 μH + 5 Ω || 50 Ω, comme le Tekbox TBLC08. Pour les applications automobiles en courant continu, on utilise un réseau 5 μH || 50 Ω, comme le Tekbox TBOH01. Ces deux réseaux permettent d'obtenir des mesures reproductibles sans chambre anéchoïque.
Tests de pré-conformité sur banc d'essai
Un processus de test en laboratoire permet de détecter la plupart des problèmes avant une visite au laboratoire. Suivez ces étapes :
Identifiez la norme cible, telle que CISPR 32 ou EN 55032.
Installez un analyseur de spectre avec un préamplificateur, un ensemble de sondes de champ proche et un LISN au-dessus d'un grand plan de masse.
Scannez la carte et les câbles avec des sondes de champ proche pour trouver les points chauds.
Corrigez la disposition, le blindage ou le filtrage, puis testez à nouveau et comparez.
Soumettez la demande de certification une fois que la marge semble suffisante.
Les sondes de champ proche fonctionnent uniquement à courte portée, de l'ordre de quelques centimètres. Elles fournissent des mesures relatives ; il est donc conseillé de les utiliser pour localiser les sources, et non pour vérifier les limites. Un limiteur de transitoires est indispensable. Les transitoires de mise sous tension en courant alternatif peuvent décharger jusqu'à ±325 V dans les diodes mélangeuses, dont la puissance RF est comprise entre +20 dBm et +30 dBm. Un limiteur tel que le Tekbox TBFL1 plafonne la sortie à +11 dBm en cas de surcharge de 5 W.
Les distances de sécurité définies par la norme IEC 62368 imposent des contraintes à cette installation. Les plots des condensateurs Y et les pistes des inductances de mode commun doivent respecter les distances de fuite et d'isolement requises. Vérifiez à nouveau les distances après chaque changement de filtre.
Compromis thermiques, d'encombrement et de conception pour la fabrication
Effets de la chaleur, du blindage et de l'enceinte
La chaleur et le blindage occupent le même volume à l'intérieur d'un convertisseur. La conception du boîtier, la circulation de l'air et l'emplacement des composants influent tous sur la température atteinte. Il est impératif de vérifier la réduction de température à l'intérieur du boîtier final, et non sur une table ouverte. Un composant qui reste froid sur la table peut dépasser sa température nominale une fois le boîtier fermé.
Un fonctionnement continu ou dans des environnements difficiles exige une marge thermique supplémentaire . Cette marge compense le vieillissement, l'accumulation de poussière et les conditions les plus extrêmes. Dans les petits boîtiers à ventilation limitée, même de faibles pertes d'efficacité peuvent réduire considérablement la puissance utile. Il est donc essentiel de définir le budget thermique avant de finaliser la conception mécanique.
Le blindage modifie directement les interférences électromagnétiques. Un module monté sur carte est souvent situé près des connexions d'entrée. Un blindage insuffisant permet aux interférences rayonnées de générer du bruit conduit sur ces connexions. Les boîtiers de modules en plastique n'offrent généralement aucun blindage. Un kit de boîtier optionnel peut réduire les émissions qui se couplent aux conducteurs d'alimentation. Il est important de combiner les mesures mécaniques et électriques : blindage, implantation soignée, boucles de courant réduites et plans de masse solides, ainsi que filtrage, découplage, amortissement et contournement. Cette combinaison permet d'atteindre les objectifs de conformité, tels que la norme EN 55022, classe B.
Contraintes DFM sur les composants de filtre
Vos filtres EMI doivent être testés en production , et pas seulement en laboratoire. Les selfs de mode commun à fils fins sont fragiles et se cassent facilement lors de la manipulation. Les condensateurs de grande capacité nécessitent des zones d'exclusion qui compliquent l'agencement. Choisissez des composants avec des encombrements standard et un conditionnement en bobine. Assurez-vous que la machine de placement est compatible avec les dimensions et le poids du boîtier.
L'ajout de composants d'amortissement augmente le coût et le nombre d'étapes de refusion. Un condensateur d'amortissement d'une capacité trois à quatre fois supérieure à celle de la capacité d'entrée occupe de la surface sur la carte et peut nécessiter un diélectrique différent. Vérifiez le profil de soudure de chaque composant ajouté. Renseignez-vous auprès de votre fabricant sur le risque de formation de « tombstone » (effet de pierre tombale) pour les petits condensateurs situés à proximité de masses thermiques importantes.
Les points de test et les pastilles de réglage facilitent les travaux de pré-conformité. Leur utilisation en grande quantité engendre des coûts supplémentaires. Il est donc important de déterminer rapidement quelles pastilles conserver et lesquelles supprimer. Veillez à maintenir la stabilité de la configuration du filtre d'une révision à l'autre, car le déplacement d'une pastille modifie le couplage parasite et, par conséquent, les résultats obtenus. Chaque modification du filtre doit être considérée comme une modification de conception nécessitant un nouveau test en laboratoire.
Commencez par identifier le type de bruit et le chemin de couplage. Ensuite, choisissez et placez les filtres en conséquence. Cet ordre vous évitera de tâtonner.
Trois habitudes sont primordiales : amortir chaque étage LC pour garantir la stabilité de l’entrée ; respecter les limites d’espacement des condensateurs Y et de la norme IEC 62368, même après le déplacement d’un composant ; effectuer des tests de pré-conformité en laboratoire dès que possible afin que les émissions conduites soient détectées avant celles du laboratoire de test.
Considérez EMI comme une tâche itérative au niveau de la carte, et non comme une solution après une panne :
Définir les objectifs CEM lors de la spécification.
Effectuer des tests progressifs avec un analyseur de spectre et des sondes de champ proche.
Réglez uniquement les fréquences défaillantes.
Évaluez les compromis liés à la fabrication dès le début. Le blindage limite la dissipation thermique et les structures à pas fin augmentent les coûts. Impliquez votre concepteur de filtres et votre fournisseur de circuits imprimés dans l'étude de la conversion AC/DC. De petites modifications des exigences peuvent nécessiter une refonte complète.
QFP
Quel mode de bruit faut-il privilégier en premier lorsqu'une analyse échoue ?
Séparez les modes avant de manipuler un composant. Fixez une sonde de courant RF entre la phase et le neutre pour mesurer le courant en mode commun. Faites passer les deux fils en sens inverse à travers la sonde pour mesurer le courant en mode différentiel. Comparez les deux mesures, puis dimensionnez votre filtre EMI en fonction du mode dominant.
Pourquoi un étage LC ne parvient-il pas à éliminer le bruit de mode commun ?
En mode différentiel, le courant sort par un conducteur et revient par l'autre. En mode commun, le courant circule dans le même sens sur les deux conducteurs et retourne par le châssis ou la terre. Un étage LC court-circuite uniquement le premier courant. Pour supprimer le second, il faut une inductance de mode commun et un condensateur Y en entrée.
Comment empêcher un filtre de résonner ou d'osciller ?
Maintenez l'impédance de sortie du filtre nettement inférieure à l'impédance d'entrée du convertisseur sur toute la bande passante de la boucle de régulation. C'est le critère de Middlebrook. Ajoutez de l'amortissement pour que le pic à la fréquence de coupure reste faible et vérifiez la réponse par une analyse fréquentielle plutôt que par des tests temporels uniquement.
Où doivent être placés les filtres d'entrée sur la carte ?
Placez-les au niveau du connecteur, avant que le bruit ne se propage sur la carte. Veillez à ce que le retour du condensateur Y soit court et direct vers le châssis. Un condensateur shunt nécessite une connexion directe à la masse, sinon l'inductance de la piste en altère l'efficacité. Testez les filtres sur la carte réelle avec le chemin de retour réel.
