Bootcamp sur les émissions conduites

Les émissions conduites affectant négativement un système électronique, soit par le biais d'émissions couplées en interne, soit par des câbles connectés en externe, préoccupent les concepteurs de matériel qui cherchent soit à réussir les tests d'immunité conduite, soit à limiter le bruit électrique de leur appareil. Le résultat est un besoin de comprendre comment le bruit électrique pourrait conduire à travers un système. Cela nécessite une compréhension des différents types de courants de bruit, de la manière de les mesurer et, finalement, du type de mécanisme de suppression à utiliser pour faire sortir leur produit de la porte. Bien sûr, ils devront le faire en déterminant quelle méthode de suppression est la plus rentable pour le type d'émission conduite qu'ils obtiennent.

Afin de mieux comprendre ce que sont exactement les émissions conduites, nous parlerons d'abord des deux types d'ingénieurs d'émissions rencontrés. Après avoir acquis une première compréhension des principes de ces émissions et de la manière dont elles peuvent même affecter les émissions rayonnées, leurs chemins et sources typiques seront discutés, ce qui permet aux concepteurs de matériel de détecter ces problèmes dans la phase de conception, afin d'éviter d'ajouter des composants coûteux dans les phases ultérieures de développement. Après l'identification et la compréhension du problème, le prochain sujet le plus important est de savoir comment mesurer ces émissions. C'est là que les ingénieurs rencontreront ces deux dispositifs communs lors des tests, soit un réseau de couplage directionnel pour les tests d'immunité injectée, soit un réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN) pour la mesure des émissions. Enfin, après avoir compris comment mesurer, nous discuterons des filtres et des composants pour différentes applications.

À la fin de l'article, vous devriez avoir une bonne compréhension de ce que sont les émissions conduites, de leurs sources et de leurs trajets, comment les mesurer et enfin comment les contrôler à différentes étapes de la conception.

Figure 1 : Le modèle CEM décrivant la source, le chemin et le récepteur du bruit

Émissions conduites et modèle CEM La plupart d'entre nous, sinon tous, ont rencontré des problèmes d'émissions conduites, que ce soit via un gémissement d'alternateur sur le système stéréo de votre véhicule ou un aspirateur interférant avec votre téléviseur. Pour cette raison, il est important de comprendre où, sur le modèle CEM de source-chemin-récepteur, les émissions conduites s'intègrent pour résoudre rapidement un problème.

La source de la plupart des problèmes d'émissions conduites est classée comme provenant soit de l'extérieur du système, soit de l'intérieur ou localement du module ou du système testé. Pour cette raison, vous trouverez de nombreux matériaux d'émissions conduites ciblant la conception des filtres et l'acheminement des câbles pour essayer de réduire l'effet de la source de bruit sur le système. Un exemple de ceci, décrit précédemment, est un alternateur créant un courant de bruit involontaire à la suite de sa production d'énergie décrite à la figure 2.

Figure 2 : (À gauche) Une émission conduite interférant avec le fonctionnement de la radio. (À droite) Une émission conduite rayonnant sur une antenne interférant avec le fonctionnement de la radio

Ce courant de bruit peut varier avec la vitesse du moteur et pourrait avoir une incidence négative sur les performances radio, que ce soit via un trajet conduit ou rayonné. Bien que vous puissiez penser que la source de bruit est normalement facile à cibler, car elle a des caractéristiques qui incluent un contenu harmonique ou des amplitudes élevées, le chemin emprunté par ce bruit est souvent difficile à suivre. Des exemples de ces types de chemins sont généralement le résultat d'un mécanisme de couplage involontaire tel qu'un câble mal mis à la terre, un châssis conducteur ou des capacités parasites qui résultent de quelque chose d'aussi bénin qu'un dissipateur thermique sur un transistor. La figure 3 montre un exemple où un convertisseur de commutation hors ligne est piloté à 150 kHz, le condensateur en pointillé représentant une capacité parasite qui existe entre le dissipateur de chaleur et la "masse". La ligne rouge représente le chemin du courant de bruit peut prendre, et apporte un appareil qui sera abordé plus tard appelé LISN qui aidera à mesurer la tension créée par ce courant conduit. Il est également important de se rappeler que sur les figures 2 et 3, le chemin comprend un chemin rayonné soit vers une antenne et dans l'amplificateur stéréo soit vers un châssis conducteur.

Figure 3 : Un exemple de chemin de courant en mode commun avec couplage parasite

Afin de contrôler les émissions conduites, nous devons d'abord créer des règles qui nous aideront à identifier le type d'émission conduite afin que nous puissions identifier la source et la filtrer, ou le chemin et soit rediriger, soit modifier le système de sorte qu'il ne soit plus un problème.

Types d'émissions conduites La première étape dans le traitement des problèmes d'émissions conduites consiste à identifier d'abord comment le chemin du bruit est transmis à travers votre système, soit via le chemin de courant opérationnel (boucle), soit par un chemin de courant involontaire (rayonné ou le long de la ligne commune). Par conséquent, les émissions conduites sont ensuite classées en fonction de la condition qui les a créées et, à ce titre, entraînent différents remèdes.

Mode différentiel Le premier type de courant de bruit qui apparaît en série avec le courant de fonctionnement est appelé courant de mode différentiel ou bruit de mode différentiel. Un schéma commun généralement représenté lors de la description du bruit en mode différentiel est mentionné à la figure 4, où dans un système traditionnel à trois fils, la source de bruit est représentée le long de la charge. Le courant de mode différentiel crée ici une tension de bruit dite en série avec les lignes chaude et neutre ; dans les systèmes non à trois fils, ceux-ci seraient considérés comme les lignes de signal et de retour. Il apparaît en série avec le courant opérationnel et comme son nom l'indique est de nature différentielle.

Figure 4 : Exemple de source de bruit en mode différentiel dans un système à trois fils

Heureusement, lors du débogage des problèmes de mode différentiel, il est généralement simple car il est en série avec le courant de boucle et en tant que tel, les indices pour résoudre le problème peuvent être trouvés en analysant soigneusement un schéma pour des choses telles que :

Figure 5: L'ESR d'un condensateur de dérivation provoquant une chute de tension

Bruit en mode commun Après avoir qualifié les courants de bruit en mode différentiel de courants de bruit qui circulent dans des directions opposées, il est logique de se référer à l'inverse où les courants de bruit apparaissent dans la même direction ; puisque l'émission est commune à la fois au signal et au chemin de retour, on parle de bruit de mode commun. Pour aider à visualiser cette situation, nous nous référons à nouveau à un simple système à trois fils sur la figure 6 ; vous trouverez ici la tension de bruit en raison des courants de bruit apparaissant à travers la vraie terre - un chemin qui ne transporte normalement pas de courant. Le courant de mode commun apparaît ici sur la masse commune aux lignes chaudes et neutres.

Figure 6 : Exemple de source de bruit en mode commun dans un système à trois fils

Malheureusement, ce type de courant de bruit est plus difficile à identifier, car il est très sensible au chemin emprunté par les courants de bruit. Leur chemin implique généralement des parasites et n'est pas lié au flux de courant opérationnel normal, et en tant que tel n'apparaît pas sur un schéma. Dans la figure 7, vous trouverez un exemple de la manière dont le chemin de mode commun peut se propager dans un système à deux fils impliquant deux transistors et un convertisseur CC/CC pilotant une charge dans un boîtier métallique flottant.

Figure 7 : Un exemple de trajectoire d'émissions de mode commun à travers les parasites

Les problèmes de bruit en mode commun sont un casse-tête pour les concepteurs et font généralement partie d'un problème physique tel que :

De plus, bien qu'ils soient capables d'apparaître dans la grande majorité des systèmes électroniques, ils sont généralement plus susceptibles de causer des maux de tête dans :

De plus, le chemin de mode commun est généralement le coupable de la majorité des problèmes d'émissions rayonnées, car les boucles de courant créées par les courants de bruit empruntant ce chemin ont tendance à être plus importantes que le mode différentiel.

Il convient de noter que lors du débogage et de la tentative d'analyse du chemin emprunté par l'émission conduite, il est important de comprendre que les problèmes de mode commun et de mode différentiel ne sont pas des situations mutuellement exclusives. Le courant de mode différentiel qui est déséquilibré entre la source et le chemin de retour peut se présenter comme un bruit de mode commun, par exemple. De plus, de ce fait, la manière la plus efficace de gérer le problème est la suppression à la source, ce qui implique de prêter attention aux sources de bruit courantes :

Sans analyse minutieuse, les techniques de filtrage et de suppression utilisées pour réduire l'un peuvent entraîner une augmentation pour l'autre.

Émissions conduites en tant que problèmes rayonnésAvant de discuter de la façon dont nous mesurons les émissions conduites, il est important de comprendre que les courants de mode commun et différentiel ne sont pas seulement un problème matériel, mais qu'ils sont également liés au champ électrique rayonné. Des quantités excessives de l'un ou des deux peuvent entraîner l'échec d'un test d'émissions rayonnées en plus de causer des problèmes de fonctionnement. Pour contrôler les courants de mode commun et différentiel, nous devons d'abord comprendre comment ces courants se rapportent au champ mesuré. Une équation commune que nous pouvons utiliser pour estimer les émissions rayonnées en mode différentiel un courant en mode différentiel avec la formule suivante :

Il est important de noter que puisque les courants de mode différentiel sont des courants de boucle, les émissions qu'ils génèrent sont linéaires avec la surface de la boucle qu'ils parcourent. A l'inverse, le champ généré par le courant de mode commun est donné par :

Dans ces deux équations, nous remarquons une dépendance à la fréquence et à deux constantes. Ces constantes sont d'environ un ordre de grandeur différentes :

Si nous considérons que les courants de mode différentiel et de mode commun dans un système contribuent au bruit dans un système, nous devons noter que le champ provenant d'un courant de mode commun est beaucoup plus fort que celui d'un mode différentiel. En utilisant un peu d'algèbre pour simplifier les équations en définissant la zone de lop sur , une longueur de fil de et la fréquence sur 48 MHz, nous pouvons avoir une idée de la relation entre les courants de mode commun et différentiel; ceci est montré comme suit :

Cette équation nous indique que pour cet ensemble de paramètres simplifiés, un seul microampère de courant de mode commun peut produire le même champ généré par un milliampère de courant de mode différentiel.

Techniques de mesure Maintenant que nous avons discuté des différents types de sources de bruit, de leurs inconvénients et donné quelques exemples, la prochaine étape logique pour les réparer consiste à déterminer comment les évaluer. L'évaluation des effets du bruit sur un circuit, ainsi que des émissions provenant d'un appareil, fait intervenir deux appareils communs, dont le premier est un LISN. Le LISN est utilisé pour mesurer les émissions conduites provenant de l'appareil testé et assure la répétabilité entre les configurations de test et l'isolation de la variabilité du bruit extérieur. Le second est le réseau de couplage directionnel (DCN), qui est utilisé pour évaluer la façon dont votre appareil testé réagit aux émissions conduites, généralement appelé test d'immunité injecté. Ici, au lieu de mesurer le bruit, le test est conçu pour voir comment l'appareil réagit aux différentes quantités de bruit RF injecté imposées sur le secteur AC d'un appareil.

Les configurations physiques, les spécifications et les détails des configurations de test pour chacun de ces appareils varient d'un secteur à l'autre.

Présentation du réseau de stabilisation d'impédance de ligne Premièrement, nous discuterons du LISN en tant qu'appareil précieux pour mesurer les émissions provenant de votre appareil ; son objectif principal est d'avoir une impédance de ligne constante sur la gamme de fréquences de mesure d'intérêt. Un exemple d'impédances LISN où l'impédance n'est pas constante de 50 Ohm jusqu'à 1 MHz est illustré à la Figure 8.

Étant donné que le LISN est destiné à isoler l'appareil testé de la variabilité de l'impédance de la ligne électrique et à fournir un port de mesure, il s'aligne sur la puissance d'entrée et sépare le courant d'alimentation du courant de bruit et empêche tout courant de bruit externe de corrompre le la mesure. Illustré à la Figure 9, ce schéma fonctionnel détaille où le LISN existe par rapport au produit et au système d'alimentation commercial.

Figure 9 : Schéma d'un LISN placé à côté d'un DUT

En regardant de plus près à l'intérieur du LISN, nous trouverons un filtre passe-bas composé d'inductances et de condensateurs. En regardant attentivement ce schéma, et en revenant aux figures 4 et 6, vous remarquerez que le LISN mesure à la fois les tensions de mode commun et différentiel à partir de son port de mesure.

Les valeurs des composants à l'intérieur du LISN, bien que similaires, ne sont pas les mêmes dans différentes industries et différentes gammes de fréquences. Cela est dû au fait que chaque spécification et organisme de réglementation nécessite différentes impédances stabilisées spécifiques à l'environnement dans lequel ils opèrent ; cependant, il y en a quelques-uns courants illustrés à la figure 11.

Figure 10 : Schéma interne d'un LISN relié à une entrée d'alimentation CA connectée à un DUT

Figure 11 : Exemples d'éléments internes d'un LISN

Le LISN permet au testeur ou au concepteur de voir si les émissions provenant de son appareil sont conformes au nombre toujours croissant d'organismes de réglementation, ou si des travaux supplémentaires doivent être effectués sur le filtrage de l'alimentation. Cependant, si vous voulez voir ce qui se passe en présence d'une perturbation conduite provenant d'ailleurs sur le réseau électrique commercial, par exemple un moteur qui s'allume/s'éteint, le réseau de couplage directionnel est l'appareil pour tester votre immunité.

Présentation du réseau de couplage Mesurer le fonctionnement de votre appareil en cas de perturbations est utile dans un large éventail d'applications. De l'automobile, où les concepteurs doivent s'assurer qu'un alternateur déversant du courant dans le système de votre véhicule n'endommagera pas l'électronique, aux systèmes commerciaux où vous voulez vous assurer que votre cuisinière ne s'allume pas à chaque fois que le réfrigérateur le fait. Pour les besoins de cet article, nous nous concentrerons sur les normes de test de la Commission électrotechnique internationale (CEI) à usage commercial et industriel définies dans les tests de la série 61000. La CEI est l'organisme directeur qui définit une configuration générique qui couvre les perturbations conduites et rayonnées sur un large éventail de critères de test dans ses tests de la série 61000. Les deux qui se rapportent au contenu de cet article sont :

Ces tests soumettent l'appareil à des perturbations dans les configurations en mode commun et différentiel et sont particulièrement utiles pour les appareils avec au moins un câble conducteur tel qu'une alimentation principale, une ligne de signal, une ligne de mesure ou une connexion à la terre se connectant à un autre système. Ils sont destinés à exposer les faiblesses de votre produit aux sources de bruit courantes telles que les PWM, les horloges et les vibrations de relais qui pourraient se retrouver dans votre système. Le schéma fonctionnel d'un test d'immunité ressemble à la figure 12, où vous disposez d'un générateur de signal, d'un amplificateur et d'un coupleur directionnel qui fonctionnent ensemble pour fournir un signal de bruit constant modulé au-dessus du secteur CA normal.

Figure 12 : Schéma fonctionnel d'un coupleur directionnel dans une configuration de test

Dans certains systèmes haut de gamme, un wattmètre et un contrôleur informatique sont utilisés à la fois pour mesurer et contrôler l'amplitude de la perturbation injectée afin de tenir compte des pertes RF dans le système sur la plage de fréquences intéressées. Pour la série de tests 4-6, l'amplitude du bruit injecté doit être maintenue constante à 1, 3 ou 10 V en fonction du niveau de certification auquel vous souhaitez être testé. Contrairement à la mesure des émissions, ce test peut être nuancé en fonction de l'industrie dans laquelle vous vous trouvez, car les critères d'acceptation sont basés sur votre choix et la CEI décrit simplement les exigences et les méthodes de test. Par exemple, vous souhaiterez peut-être que votre appareil fonctionne correctement à 3 V de perturbations pendant son fonctionnement, mais à 10 V, l'appareil n'aura peut-être pas besoin de mal fonctionner dans des conditions ambiantes. De plus, tous les coupleurs directionnels ne sont pas identiques et sont disponibles dans une variété de saveurs pour s'adapter à votre application, des exemples de coupleurs courants sont illustrés à la Figure 13.

Figure 13 : Images de trois types différents de coupleurs directionnels

Après avoir mesuré les performances de votre appareil et, comme la plupart, vous trouvez un problème, l'étape suivante consiste à déterminer ce que vous pouvez faire pour filtrer ou supprimer les émissions parasites afin que votre produit puisse être vendu.

Filtrage et autres techniques de suppression S'attaquer aux émissions conduites dès le début et de la manière la plus efficace possible est le meilleur moyen d'éviter des changements coûteux tard dans le processus de conception. Pour cette raison, après avoir évalué votre système au début du processus de développement et après avoir trouvé un problème, nous devons nous demander : s'agit-il d'un problème de mode commun ou d'un problème de mode différentiel ? Chaque type d'émission a son propre mécanisme de suppression, et les correctifs peuvent aller de techniques sensibles au coût telles qu'une meilleure disposition ou un filtre à des dispositifs de dernière minute tels que des selfs coûteuses, des perles de ferrite et des câbles. Dans les deux cas, le but de tout filtre est d'affecter l'impédance du trajet du courant en provoquant une inadéquation entre l'impédance de la source de bruit et le trajet qui affecte le récepteur.

Nous commencerons d'abord par le filtrage ; quelque chose que de nombreux ingénieurs connaissent depuis qu'ils ont découvert que le filtre passe-bas de premier ordre peut éliminer le bruit d'un moteur ou d'un microprocesseur. L'objectif d'un filtre en mode différentiel est de fournir une inadéquation d'impédance entre le circuit et le filtre, de sorte que le filtre absorbe ou redirige le bruit loin de la charge.

Ces composants de filtre sont généralement constitués d'une inductance série et d'une capacité parallèle, et peuvent être conçus pour avoir un impact minimal sur le courant souhaité tant que les impédances de source et de charge sont prises en compte dans leur conception. Pour aider à comprendre comment l'impédance de ces éléments réactifs aide à filtrer, il est utile de considérer les condensateurs comme étant à haute impédance (ils contiennent un circuit ouvert) et inversement les inducteurs comme étant à faible impédance (ils sont constitués de fil nu). Avec cette connaissance, la figure 15 montre comment ces éléments peuvent former des filtres primitifs à avancés tels que le réseau PI ou T trouvé dans de nombreux filtres de ligne.

Figure 14 : Impédances de filtre vues par la source et la charge

Figure 15 : Tableau démontrant les différents types d'impédances de filtre et comment les connecter à la source et à la charge

Lors du choix du type de composants à utiliser, il est important de garder à l'esprit que les parasites des composants et des conducteurs peuvent jouer un rôle important dans les performances de ces filtres, et souvent un analyseur de spectre avec un générateur de suivi peut être un outil précieux dans l'évaluation de la perte d'insertion de ces filtres.

Alors que les filtres en mode différentiel font partie des composants de filtrage en mode différentiel les plus connus, les exemples de mode commun les plus répandus sont probablement les selfs et les billes de ferrite. De plus, comme leur nom l'indique, ces composants n'affectent le trajet du courant en mode commun qu'en présentant une grande impédance aux courants circulant dans le même sens. Un schéma illustré à la figure 16 montre comment les courants de mode commun créent des champs magnétiques d'annulation tandis que les courants de mode différentiel sont autorisés à traverser la bobine d'arrêt sans atténuation.

Figure 16 : Courants et leurs champs dans une self de mode commun

D'autres exemples s'adaptent aux lignes électriques (comme le petit appareil connecté au cordon de votre ordinateur portable), mais se trouvent toujours le plus près de la source de bruit ; des exemples sont illustrés à la Figure 17. La gamme effective de fréquences et le niveau d'atténuation pour chaque dispositif dépendent du matériau de ferrite et du nombre de spires du fil à travers la self.

Figure 17 : Exemples de selfs de mode commun

Il est important de noter que leur efficacité de dernière minute a un coût et une fiabilité, car ce sont généralement des pièces coûteuses et qui peuvent tomber.

Comme indiqué précédemment, alors qu'une disposition intelligente peut annuler de nombreux problèmes, le filtre frontal de l'alimentation est l'endroit où votre dollar peut être le plus efficace pour réduire le bruit. Maintenant que nous avons introduit les selfs et les filtres en mode différentiel, nous pouvons les assembler pour former un filtre de ligne électrique. Une vue d'ensemble du filtre est illustrée à la Figure 18.

Figure 18 : Exemple schématique de filtre de ligne électrique

Bien que cela puisse être beaucoup à regarder, nous pouvons le diviser en ses deux composants, d'abord le composant de mode différentiel, comme illustré à la figure 19.

Figure 19 : Section de mode différentiel du filtre de ligne d'alimentation

Cette section du filtre est composée d'un ou plusieurs condensateurs en mode différentiel à travers la ligne d'alimentation et de retour et shunte tout bruit haute fréquence qui peut être en série avec le courant d'alimentation vers la source. Ce condensateur est appelé et est généralement grand par rapport aux condensateurs de mode commun. Il est important de noter ici qu'il existe une certaine inductance de fuite causée par un couplage imparfait dans l'étage suivant du filtre, le starter.

La section de mode commun du filtre est constituée d'une self de mode commun et utilise des condensateurs de dérivation de ligne pour donner un chemin à faible impédance de tout bruit de mode commun provenant de l'alimentation ou de l'appareil, vers sa source. Un exemple est illustré à la figure 20.

Figure 20 : Section de mode commun du filtre de ligne électrique

Bien que des filtres soient nécessaires, les ingénieurs en matériel doivent prêter attention au routage, à la terminaison et aux parasites tout au long de la phase de conception afin de maximiser l'efficacité du filtre.

Conclusion J'espère que cet article vous a inspiré pour vous attaquer à votre prochain problème d'émissions conduites en vous donnant un aperçu des deux voies que le bruit peut emprunter. Le premier étant via le mode différentiel et il implique le courant opérationnel dans le circuit, ce qui signifie qu'il suit un chemin documenté et peut être résolu par l'analyse du système du schéma, de la disposition et des choix de composants. La seconde est via le mode commun, qui est généralement causé par le chemin involontaire fourni par les composants parasites tels que les dissipateurs de chaleur ou les faisceaux de câbles mal terminés. Ici, l'ingénieur doit se concentrer sur la source et les chemins afin de résoudre le problème. Les LISN et les réseaux de couplage directionnel sont des dispositifs couramment utilisés pour mesurer les performances de votre produit, de sorte que lorsque vient le temps de concevoir un filtre, il est fait pour maximiser l'efficacité et suffisamment tôt pour que l'augmentation des coûts soit nominale.

Christophe Sémanson travaille chez Renesas Electronics America Inc. en tant qu'ingénieur d'applications électriques à Durham, Caroline du Nord, prenant en charge une grande variété d'applications à usage général. Il a cinq ans d'expérience dans l'enseignement EMC à l'Université du Michigan, où il a enseigné l'EMC et l'électronique avec Mark Steffka. Il est titulaire d'un baccalauréat en génie électrique et informatique et d'une maîtrise en génie électrique de l'Université du Michigan à Dearborn. Chris peut être contacté à [email protected].

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Christopher Semanson travaille chez Renesas Electronics America Inc. en tant qu'ingénieur des applications des systèmes d'alimentation du personnel à Durham, en Caroline du Nord, prenant en charge la conception de PMIC et d'autres semi-conducteurs de production d'énergie dans les applications automobiles conformément à la norme ISO 26262. Il a cinq ans d'expérience dans la formation EMC à la Université du Michigan, enseignant la CEM et l'électronique avec Mark Steffka. Semanson est titulaire d'un baccalauréat en génie électrique et informatique et d'une maîtrise en génie électrique de l'Université du Michigan à Dearborn. Il peut être contacté à [email protected].

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