Pourquoi n'ai-je pas vu cela venir ?

L'équipement doit avoir réussi l'analyse des émissions. Il ne devrait pas être sensible à ce bruit. L'analyse du filtre a indiqué que ce n'était pas un problème. Le boîtier devrait être un excellent bouclier. Pourquoi ça ne passe pas ?

J'ai entendu deux déclarations sur les interférences électromagnétiques qui sont à la fois liées et vraies : la CEM est la science et l'ingénierie de choses qui ne figurent généralement pas sur le schéma [1], et les EMI sont souvent causées par des problèmes de géométrie [2]. La première déclaration traite des problèmes de parasites ou de couplage croisé d'énergie dus à l'induction magnétique ou à la capacité. La seconde dit que les parasites peuvent être contrôlés ou réduits si les routages et les séparations appropriés sont maintenus, et qu'une fois qu'un certain degré de compréhension de ces mécanismes de couplage est compris, leur contrôle peut être obtenu.

Les règles empiriques sont dangereuses dans ce domaine. Oui, certains concepts fonctionnent souvent. Mais il peut y avoir tellement de variables qui créent ces problèmes, que l'utilisation uniquement de "règles empiriques" peut vous conduire sur la mauvaise voie ou ne pas expliquer la raison pour laquelle le problème existe.

Cependant, une grande partie de ce qui sera dit est basée sur ces règles générales. Ils peuvent souvent travailler. Ils ne peuvent pas. Pour inventer une phrase que nous, en tant que consultants, utilisons souvent, "Cela dépend". Mais j'espère qu'ils pourront vous informer, vous instruire et vous aider à éviter les problèmes mentionnés précédemment. Donc ici, les règles empiriques seront évitées mais pas totalement ignorées.

Concepts généraux

Il est important de se rappeler comment ces énergies se déplacent et causent des problèmes. Considérons d'abord le concept d'énergie de mode commun. L'énergie de mode commun, ou CM, est l'énergie qui se déplace sur deux fils ou plus dans le même sens et en phase. C'est assez différent de l'énergie de mode différentiel, qui se déplace dans des directions opposées sur des fils adjacents. Une ligne d'alimentation d'entrée et une ligne de retour d'alimentation forment une paire de mode différentiel - les courants sur l'une voyageant dans la direction opposée à l'autre.

L'énergie de mode commun peut également exister sur cette même paire de fils de ligne électrique. La source peut provenir d'une inductance ou d'un transformateur situé à proximité des lignes à l'intérieur de l'unité (couplage inductif), de la tension du plan d'alimentation de la carte de circuit imprimé qui peut être pilotée par rapport au châssis (une forme de couplage conduit) ou d'une haute tension source, peut-être un radiateur, située à proximité de ces lignes (couplage capacitif). Il peut également être couplé sur ces lignes à l'extérieur de l'équipement à partir de diverses sources, soit rayonné sur les lignes (couplage rayonné), soit couplé de manière capacitive ou inductive sur les lignes, comme cela est effectué lors des tests d'immunité/susceptibilité conduits.

Dans chacun de ces cas, l'énergie sur ces lignes se trouve être de mode commun - énergie induite sur les deux ou toutes les lignes en même temps et en phase.

Quand j'étais au collège, mon professeur a écrit au tableau la formule suivante :

L = L1 + L2 ± 2M12

où L est l'inductance totale d'une boucle de fil de la source à la charge et retour, L1 est l'inductance dans le premier fil de la source à la charge, L2 est l'inductance dans le deuxième fil de la charge à la source, et M12 est l'inductance mutuelle entre les fils, qui est doublée car chaque fil a le même effet sur le fil adjacent. Mais l'équation est ± 2M12. Oui, plus ou moins. La question est, quand est la formule + M12, et quand est-ce – M12 ?

Sans utiliser des noms comme "Maxwell", qui ont tendance à désaccorder le lecteur de toute autre entrée, il faut noter que lorsque vous déplacez un électron, cela crée un champ magnétique. C'est la base de l'inductance. Dans un fil, nous déplaçons un groupe d'électrons, créant un groupe de champ magnétique. Si un deuxième fil est à proximité, ce bouquet de champ magnétique veut générer un courant dans le fil dans la direction opposée. C'est l'inductance mutuelle "M". C'est ainsi que fonctionnent les transformateurs. Mais supposons que l'autre fil ait déjà du courant dans la direction opposée. Il y a alors une disposition avantageuse et les champs magnétiques induits dans chaque fil finissent par assister le fil adjacent, qui est une "impédance réduite". Ensuite, la formule utilise – M12.

Mais qu'en est-il du bruit de mode commun ? Eh bien, l'énergie en mode commun est acheminée dans les deux fils ensemble et dans le même sens en phase. Cela signifie que les courants induits dans chaque fil ne profitent pas mais s'opposent, ce qui finit par augmenter l'inductance globale. Ensuite, la formule utilise + M12.

Tout ce concept fait partie de la raison pour laquelle les fils torsadés fonctionnent si bien. Les fils torsadés ont une affinité mutuelle pour l'énergie différentielle par rapport à l'énergie de mode commun. Le même concept fonctionne avec des traces sur des plans au sol. Tant qu'une trace d'horloge ou de données est acheminée sur un seul plan et ne passe par aucune coupure dans ce plan, et que le courant de retour est référencé sur ce même plan, le chemin de retour se couplera directement sous cette trace. Cela réduit l'impédance de la trace, ainsi que la zone de boucle entre le signal et le retour, ce qui entraîne des émissions rayonnées beaucoup plus faibles et une plus grande immunité à l'énergie externe interférant avec les signaux. Cela fonctionne pour les fréquences supérieures à 100 kHz.

Maintenant, toutes ces discussions sur l'inductance des fils font apparaître un autre concept : les fils ne font pas de bonnes masses RF. Cela est vrai si vous utilisez un fil pour essayer de conduire le bruit vers un certain type de structure mise à la terre ou si vous utilisez une queue de cochon pour terminer un blindage. Les câbles blindés terminés par une queue de cochon ont tendance à poser plusieurs problèmes. Ils sont inductifs et ont donc une impédance élevée. Ils transportent un courant qui génère un champ magnétique qui peut coupler de l'énergie dans les lignes adjacentes qu'ils tentent de protéger. Qu'il suffise de dire qu'il est préférable d'utiliser une terminaison symétrique du blindage, sinon une terminaison complète à 360 degrés au niveau du connecteur.

Quant à l'utilisation d'un fil pour mettre à la terre une source de bruit : souvenez-vous d'abord que les courants circulent dans des circuits complets. S'il y a un courant circulant dans ce fil, il doit retourner à la source par un autre chemin. Plus ce chemin est éloigné, plus la boucle est grande et donc plus l'inductance de ce chemin est élevée. Il n'y a pas de puits ou de trous RF dans lesquels vous pouvez verser le bruit. Mais il peut y avoir beaucoup de courants induits sur le châssis provenant de circuits inductifs et capacitifs, et ces courants doivent trouver un chemin vers la source. Plusieurs chemins à faible impédance sont toujours les meilleurs et, encore une fois, la symétrie est souhaitable.

Enfin, qu'est-ce que la basse impédance ? Inférieur à ce que vous avez maintenant, sinon vous ne seriez probablement pas en train de lire cet article pour commencer. La "règle empirique" utilisée depuis longtemps était que 2,5 mΩ était la résistance de liaison requise pour les châssis, les connecteurs et les autres contacts métal sur métal. Votre kilométrage peut varier, mais cela pourrait être un bon objectif à atteindre. Et au cas où vous vous poseriez la question, 4½ pouces de fil de calibre 18 correspondent à 2,5 mΩ, sans compter le minimum de 0,15 µH d'inductance (selon l'inductance du chemin de retour, la zone de boucle, etc., et 0,15 µH correspond à environ 1 Ω à 1 MHz, donc ça ne marchera pas très bien du tout…).

Problèmes d'émissions

Veuillez noter que l'énergie rayonnée des émissions est probablement due à l'énergie de mode commun sur les fils. Pourquoi? Premièrement, l'énergie de mode commun rayonne beaucoup plus efficacement que l'énergie de mode différentiel. De nombreuses formules indiquent que le niveau est effectivement supérieur d'environ 106 ou 120 dB. De plus, étant donné que les longueurs d'onde typiques pour la plupart des émissions rayonnées trouvées sont plutôt longues, les types d'antennes nécessaires pour les transmettre doivent également être de taille importante. Rappelez-vous qu'à 300 MHz, une longueur d'onde est d'environ 1 mètre. À 100 MHz, il est de 3 mètres. Le rapport entre la fréquence et la longueur d'onde est linéaire à cet égard. De plus, pour que quelque chose rayonne bien à des fréquences plus basses, il peut être nécessaire qu'il soit physiquement long ou grand. Cela ne signifie pas que vous ne pouvez pas faire rayonner un petit objet à basse fréquence, seulement que si vous placez un long fil sur le petit objet qui est lié à la source de bruit, il rayonnera probablement beaucoup mieux.

Donc, si les émissions rayonnées sont inférieures à environ 200 MHz, vérifiez d'abord les câbles. Les câbles sont-ils filtrés ? Des boucliers sont-ils utilisés ? Et si c'est le cas, les boucliers sont-ils bien terminés aux DEUX extrémités ? Le premier argument contre la mise à la terre d'un câble aux deux extrémités est qu'il provoque des boucles de masse. À moins que vous ne soyez un guitariste qui reçoit un bourdonnement de 60 Hz dans le système audio, pourquoi vous inquiétez-vous des boucles de masse ? Il est rare que le blindage mis à la terre aux deux extrémités cause plus de problèmes qu'il n'en résout.

De plus, si vous effectuez des tests commerciaux, il peut s'avérer que les émissions inférieures à 80 MHz environ sont polarisées verticalement et que l'antenne se trouve au point le plus bas du mât. Un problème à rechercher est la capacité de l'équipement par rapport au plan de masse. Y a-t-il un cordon d'alimentation drapé sur le plan de masse ? Y a-t-il des câbles qui pendent jusqu'au plan de masse ? S'agit-il d'un équipement au sol où l'unité est généralement isolée d'un plan de masse, mais qui repose maintenant directement sur la surface conductrice ? Ces problèmes peuvent créer un réseau de couplage capacitif qui peut se coupler à l'antenne. Rappelez-vous que l'antenne à large bande, polarisée verticalement et au bas du mât, a une capacité beaucoup plus élevée au plan de masse que, disons, une antenne dipôle (Figure 1).

Figure 1 : Émissions rayonnées d'antennes à polarisation verticale

Dans le dessin du haut, une antenne large bande est utilisée pour mesurer les émissions rayonnées ; en bas, un dipôle accordé. Notez que le dipôle accordé a moins de capacité au plan de masse par rapport à l'antenne à large bande. De plus, en raison de la longueur, la hauteur minimale du dipôle oblige le centre à être plus haut par rapport au plan de masse et donc moins en ligne avec l'EUT.

Alors, comment ce bruit est-il arrivé sur les câbles ? Tout d'abord, chaque ligne qui est acheminée à l'intérieur et à l'extérieur de l'équipement doit être filtrée ou très bien protégée. Chaque ligne qui pénètre dans l'enceinte de l'équipement doit être traitée comme un dispositif porteur de bruit. Peu importe ce que fait le fil – qu'il s'agisse d'une entrée ou d'une sortie ; s'il transporte des centaines d'ampères de courant ou un microampère à un microvolt. La présence d'un conducteur acheminé depuis des circuits générateurs de bruit proches vers un emplacement éloigné de ces générateurs peut transporter l'énergie radiofréquence le long du câble, où elle rayonne vers la source. Malheureusement, le laboratoire de test place une antenne dans le chemin de retour, puis rapporte les résultats en termes peu aimables.

Deuxièmement, lorsqu'un filtre est utilisé, l'emplacement du filtre est critique. Afin d'obtenir les meilleurs résultats, les filtres doivent être placés près du point de pénétration dans ou hors de l'équipement. Lorsqu'un filtre est placé à l'intérieur et à l'écart du connecteur, l'énergie radiofréquence peut traverser le couple et contaminer les lignes filtrées. Dans la figure 2 et la figure 3, les effets du placement du filtre sont visibles. Dans ces deux graphiques, le composant de filtre et la disposition essentielle étaient les mêmes. Seul l'emplacement du filtre a été déplacé, d'environ 6 pouces du connecteur au bord de la carte par le connecteur.

Figure 2 : Emplacement du filtre à l'intérieur de l'équipement

Figure 3 : Emplacement du filtre près du connecteur de l'équipement

Composants

Alors, quels types de composants font un bon filtre ? Les condensateurs doivent être la première ligne de défense. Ils sont peu coûteux et peuvent être relativement petits et légers. Mais il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les condensateurs ne fonctionnent pas. Le plus évident est la valeur ou la taille du condensateur. Pour les lignes qui ne transportent pas de signaux d'horloge ou de données, le condensateur peut être grand… ou aussi grand que possible. Cependant, sur les lignes de données et d'horloge, il faut veiller à ne pas filtrer le signal. Ainsi, la valeur doit être choisie avec soin pour maintenir la fréquence des données et cinq à dix harmoniques du signal.

Un autre problème avec les condensateurs est le type de condensateur utilisé. Les condensateurs électrolytiques fournissent une capacité élevée par volume, bien que polarisée et donc pas utile pour le courant alternatif. Cependant, ils ont tendance à avoir une résistance série équivalente (ESR) élevée et peuvent également avoir une inductance série équivalente (ESL) élevée. Cela limite la gamme de fréquences utiles à environ 100 kHz. Pour cette raison, les condensateurs céramiques sont souvent utilisés pour les applications à haute fréquence. Et encore…

Les problèmes d'inductance de plomb, d'inductance et de routage de trace, de couplage croisé inductif et d'autres problèmes sont courants avec l'utilisation de condensateurs. Les conceptions peuvent veiller à ce que le circuit ait des traces très courtes vers le condensateur de découplage, puis ne pas tenir compte de la façon dont le côté retour du condensateur renvoie l'énergie à la source. La boucle entière de la source au condensateur et retour à la source doit être analysée et vérifiée. Trop souvent, les conceptions de circuits reposent sur un symbole de masse pour déverser le bruit, puis ignorent comment ce symbole se connecte au même symbole sur la source de bruit. Pour souligner que l'ingénieur de mise en page doit savoir où les traces de retour doivent aller et éviter une fonction de routage automatique, le consultant utilisera le symbole illustré à la figure 4.

Figure 4 : Symbole "Pas de mise à la terre"

Il convient de souligner que le but d'un condensateur est de contourner les courants RF et de les renvoyer à la source du bruit. Cependant, le processus de le faire peut en soi créer des problèmes. Considérez la figure 5, qui montre comment un condensateur renvoie ces courants vers le chemin de retour. Cependant, si les conducteurs sur le condensateur sont longs, ou si les pistes vers le condensateur sont longues, cela peut créer une source de couplage inductif. Et si ce couplage se trouve dans la boucle qui essaie d'être filtrée, l'ensemble du processus finit par contourner le filtre. Certes, il s'agit d'un système avec perte et le condensateur présente des avantages. Mais considérez à quel point les résultats pourraient être meilleurs dans une configuration utilisant les routages actuels vus dans le dessin inférieur.

Figure 5 : Couplage croisé des condensateurs

Un autre problème souvent manqué est la présence d'une polarisation CC sur un condensateur. Lorsqu'une tension est appliquée à un condensateur, la capacité totale disponible est réduite. Dans la figure 6, la présence d'une tension de polarisation CC sur un condensateur évalué pour 16 V CC est illustrée. Plus la tension placée sur le condensateur est élevée, moins la capacité sera trouvée. Ceci est plus vrai pour les condensateurs de très petit format, par exemple 0603, 0402, etc. En regardant la figure 6, notez l'effet sur le format 0402 par rapport au format 0805 plus grand. Si une polarisation de 8 VDC est placée sur ces condensateurs, le 0805 aura toujours 93% de la capacité nominale, tandis que le 0402 est en baisse à 22% - un changement de valeur de 12 dB (basé sur un système 20Log).

Figure 6 : Comment la tension de polarisation CC affecte la capacité

Les ferrites sont très couramment utilisés dans le contrôle EMI. Cependant, comment ils sont utilisés et où les utiliser est souvent un mystère.

Il faut comprendre que les inductances à noyau de ferrite sont quelque peu différentes des inductances standard. Une inductance commune est un dispositif réactif qui crée une impédance principalement par la création de champs magnétiques, jusqu'à une fréquence où la capacité des enroulements devient dominante et commence à réduire son efficacité. Le matériau de base de ces inducteurs a tendance à inclure du nickel, du fer et éventuellement du molybdène ou d'autres matériaux. Ils ont une perméabilité relativement faible, généralement inférieure à 100. Cependant, ils sont conçus pour fonctionner avec un courant important et ne souffrent pas de "saturation", un effet où le noyau ne peut plus accepter de flux magnétique.

Les ferrites fonctionnent de manière similaire à basse fréquence. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, une ferrite devient avec pertes et commence à avoir un aspect résistif. Sur la figure 7, une ferrite haute fréquence est analysée pour son impédance sur la fréquence. La ligne inclinée du coin inférieur gauche au coin supérieur droit est l'impédance avec un seul tour (sans enroulement) à travers une perle. La ligne horizontale représentée en deux étapes est la phase du signal. En partant de la droite, le signal est à +90 degrés, indiquant l'inductance de la ferrite (ignorer le bruit, qui est dû aux limites de mesure de l'analyseur d'impédance). Notez qu'à 10 MHz, la phase descend à 60 degrés, indiquant qu'une nature résistive est introduite.

Figure 7 : Caractéristiques de la ferrite haute fréquence

Cette ferrite "haute fréquence" particulière a une formulation nickel-zinc, ou NiZn, avec un oxyde ferreux. Ces ferrites sont couramment utilisées pour la plupart des émissions rayonnées commerciales et le contrôle de la susceptibilité. Une caractéristique de la ferrite NiZn est que la perméabilité du matériau est généralement inférieure à 1000, et pour un matériau à très haute fréquence peut être inférieure à 125.

L'autre matériau de ferrite courant est le manganèse-zinc, ou MnZn, à nouveau formulé avec un oxyde ferreux. Ces noyaux peuvent avoir une perméabilité élevée, généralement supérieure à 1000. Cependant, la perméabilité élevée s'accompagne d'une bande passante d'utilité réduite. Les ferrites MnZn sont donc mieux utilisées pour les émissions conduites et les problèmes de susceptibilité.

Notez que les ferrites peuvent devenir saturées avec moins de courant que de nombreux inducteurs. La meilleure utilisation des ferrites est de les utiliser en mode commun, sur toutes les lignes avec tous les courants de retour acheminés dans le même noyau. A cet égard, le noyau serait une impédance principalement pour l'aspect de mode commun du bruit, tout en laissant passer le bruit de mode différentiel avec une impédance minimale. Voir la figure 8 pour savoir comment la plupart de l'énergie en mode différentiel est annulée à l'intérieur d'un tore bobiné en mode commun, et la figure 9 pour savoir comment l'énergie en mode commun augmente à l'intérieur du même tore.

Figure 8 : Champs de mode différentiel dans un noyau de mode commun

Figure 9 : Champs de mode commun dans un cœur de mode commun

La disposition des tores ci-dessus est souvent la meilleure lorsqu'ils sont utilisés sur des lignes électriques, où l'espacement ajoute une isolation qui peut être nécessaire pour des raisons de sécurité. Cependant, si une inductance de mode commun est nécessaire pour une ligne de données, la séparation de ces fils peut créer des problèmes en ce qui concerne le transfert de données à haute fréquence. Sur la figure 10, les enroulements sont représentés enroulés ensemble, comme cela serait requis pour les lignes de données. Notez que l'avantage supplémentaire est qu'il réduit l'inductance de fuite trouvée dans les figures précédentes.

Figure 10 : Noyau bobiné en mode commun pour les signaux de données

Boucliers

Il existe des équipements dans lesquels le boîtier blindé est si épais qu'il porte des avertissements "Two Man Lift" sur le couvercle, même s'il a la taille d'un ordinateur portable. Pourtant, j'ai vu ceux-ci échouer. À l'inverse, j'ai vu une feuille d'aluminium fonctionner pour protéger une unité avec de larges marges. Pourquoi l'un fonctionne et l'autre non ?

Pour les émissions rayonnées, disons au-dessus de 30 MHz, un blindage métallique n'a pas besoin d'être épais. La feuille d'aluminium a plus de 80 dB de blindage, et cela pour les champs électriques et magnétiques. La conductivité du métal constitue un excellent bouclier réfléchissant pour les champs électriques, tandis que les champs magnétiques sont fortement absorbés en raison des pertes par courants de Foucault. Alors pourquoi un boîtier en métal lourd n'est-il pas un bon bouclier ?

Plusieurs choses sont impliquées dans la panne du bouclier. Il y a d'abord les câbles et les fils. Chaque fil qui pénètre dans le blindage doit être filtré à ce point. Si ce n'est pas le cas, le bruit à l'intérieur de l'équipement peut se coupler à cette ligne, puis se transmettre à l'extérieur du châssis. De même, lors des tests d'immunité/sensibilité, l'énergie est couplée sur ces lignes et sera conduite dans l'unité. Cela doit être shunté vers le châssis ou entravé d'une manière ou d'une autre, sinon une susceptibilité peut être trouvée. Dans ce cas, tous les blindages du monde n'aideront pas à supprimer ce couplage.

Dans le cas où le filtre est en place et fonctionne bien, un écran peut se briser au niveau des coutures et des joints. Comme indiqué précédemment, des impédances de liaison de milliohms ou moins sont nécessaires pour créer une bonne liaison. Ceci est encore plus important au niveau des joints de boucliers. Le circuit à l'intérieur de l'équipement générera des champs qui créeront des courants sur les structures métalliques, restant sur la surface intérieure en raison des effets de peau. Ces courants doivent pouvoir retourner à la source avec une impédance minimale. Tant que le métal n'a pas de joints, le courant circule avec des micro-ohms d'impédance. Lorsqu'une couture est traversée, une impédance peut être des milliers de fois supérieure à celle qui se déplace vers l'extérieur du bouclier, où elle peut rayonner.

La solution est d'assurer la plus faible impédance possible entre tous les contacts métalliques. Les contacts larges et continus sont les meilleurs. Cela signifie que les revêtements et la peinture sur les surfaces métalliques doivent être masqués au niveau des joints et des coutures. Le type de revêtement utilisé doit garantir que le contact sera de la meilleure qualité possible. Et avant de vous rendre au laboratoire pour un test, assurez-vous de mettre toutes les vis de montage. Ne présumez pas qu'un dans chaque coin est assez bon.

Figure 11 : Courants de blindage

En conclusion

Cet article n'est pas destiné à aborder tous les aspects des problèmes d'EMI ; il existe de nombreux livres, articles et conférences d'une semaine qui peuvent vous aider. Au lieu de cela, rappelez-vous les points suivants :

Il existe de nombreux autres éléments de ce type qui pourraient être notés. Mais fondamentalement, beaucoup ne sont que des "règles empiriques".

Remarques

Patrick est membre de l'IEEE EMC Society depuis 29 ans, en tant que président, vice-président et président des arrangements de la section Puget Sound. Il travaille également pour la Seattle Gilbert and Sullivan Society en tant qu'ingénieur de conception sonore et photographe.

Patrick peut être contacté à [email protected] ou via http://andreconsulting.com.

emitest d'émissions ratéPatrick André

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