Filtrage du bruit de mode commun avec des filtres EMI monolithiques

Par Mike Santora | 9 août 2019

Malgré la popularité des selfs de mode commun, une alternative peut être les filtres EMI monolithiques. Lorsqu'ils sont correctement disposés, ces composants céramiques multicouches offrent une excellente réjection du bruit de mode commun.

De nombreux facteurs augmentent la quantité d'interférences de "bruit" qui peuvent endommager ou perturber le fonctionnement des appareils électroniques. Les automobiles d'aujourd'hui en sont un parfait exemple. Dans un même véhicule, vous pouvez trouver le Wi-Fi, le Bluetooth, la radio satellite, les systèmes GPS, et ce n'est que le début. Pour gérer ces interférences sonores, l'industrie utilise généralement un blindage avec des filtres EMI pour éliminer les bruits indésirables. Mais maintenant, certaines des solutions traditionnelles pour éliminer les EMI/RFI ne suffisent plus.

Ce problème conduit de nombreux OEM à éviter des options telles que le différentiel à 2 condensateurs, le condensateur à 3 condensateurs (un X-cap et 2 Y-caps), les filtres de traversée, les selfs de mode commun ou des combinaisons de ceux-ci pour des solutions plus adaptées telles que filtres EMI monolithiques qui ont une meilleure suppression du bruit dans un boîtier plus petit.

Lorsque les appareils électroniques reçoivent de fortes ondes électromagnétiques, des courants électriques indésirables peuvent être induits dans le circuit et provoquer des opérations involontaires - ou interférer avec les opérations prévues.

Les EMI/RFI peuvent prendre la forme d'émissions conduites ou rayonnées. Lorsque l'EMI est réalisée, cela signifie que le bruit se propage le long des conducteurs électriques. Les EMI rayonnées se produisent lorsque le bruit se propage dans l'air sous forme de champs magnétiques ou d'ondes radio.

Même si l'énergie appliquée de l'extérieur est faible, si elle est mélangée aux ondes radio utilisées pour la diffusion et la communication, elle peut entraîner une perte de réception, un bruit anormal dans le son ou une vidéo perturbée. Si l'énergie est trop puissante, les appareils électroniques peuvent être endommagés.

Les sources comprennent le bruit naturel comme les décharges électrostatiques, l'éclairage et d'autres sources et le bruit artificiel comme le bruit de contact, les dispositifs qui fuient qui utilisent des hautes fréquences, les émissions indésirables et autres. Habituellement, le bruit EMI/RFI est un bruit de mode commun, la solution consiste donc à éliminer les hautes fréquences indésirables avec un filtre EMI, soit en tant qu'appareil séparé, soit intégré dans des cartes de circuits imprimés.

Filtres EMI Les filtres EMI sont généralement constitués de composants passifs, tels que des condensateurs et des inductances, connectés pour former des circuits.

"Les inductances permettent aux courants continus ou basse fréquence de passer tout en bloquant les courants haute fréquence indésirables nocifs. Les condensateurs fournissent un chemin à faible impédance pour détourner le bruit haute fréquence de l'entrée du filtre, soit vers l'alimentation alimentation ou à la mise à la terre », explique Christophe Cambrelin de Johanson Dielectrics, une société qui fabrique des condensateurs céramiques multicouches et des filtres EMI.

Les approches traditionnelles de filtrage en mode commun comprennent des filtres passe-bas utilisant des condensateurs qui transmettent des signaux avec une fréquence inférieure à une fréquence de coupure sélectionnée et atténuent les signaux avec des fréquences supérieures à la fréquence de coupure.

Un point de départ commun consiste à appliquer une paire de condensateurs dans une configuration différentielle, avec un condensateur entre chaque piste et la masse de l'entrée différentielle. Le filtre capacitif de chaque jambe détourne les EMI/RFI vers la terre au-dessus d'une fréquence de coupure spécifiée. Étant donné que cette configuration implique l'envoi d'un signal de phase opposée à travers deux fils, le rapport signal sur bruit est amélioré tandis que le bruit indésirable est envoyé à la terre.

"Malheureusement, la valeur de capacité d'un MLCC avec diélectrique X7R (généralement utilisé pour cette fonction) varie considérablement avec le temps, la tension de polarisation et la température", explique Cambrelin.

"Ainsi, même si les deux condensateurs sont étroitement adaptés à température ambiante, avec une basse tension, à un moment donné, il est très probable qu'ils se retrouvent avec une valeur très différente une fois que le temps, la tension ou la température ont changé. Ce décalage entre les deux lignes entraîneront une réponse inégale près de la coupure du filtre. Par conséquent, cela convertira le bruit de mode commun en bruit différentiel.

Une autre solution consiste à ponter un condensateur 'X' de grande valeur entre les deux condensateurs 'Y'. Le shunt de condensateur « X » fournit l'effet souhaité d'équilibrage en mode commun, mais avec l'effet secondaire indésirable du filtrage de signal différentiel. La solution la plus courante et une alternative aux filtres passe-bas est peut-être la self de mode commun.

Une self de mode commun est un transformateur 1:1 où les deux enroulements agissent à la fois comme primaire et comme secondaire. Dans cette approche, le courant à travers un enroulement induit un courant opposé dans l'autre enroulement. Malheureusement, les bobines d'arrêt en mode commun sont également lourdes, coûteuses et sujettes à des défaillances induites par les vibrations.

Pourtant, une bobine d'arrêt de mode commun appropriée avec une adaptation et un couplage parfaits entre les enroulements est transparente aux signaux différentiels et présente une impédance élevée au bruit de mode commun. Un inconvénient des selfs de mode commun est la plage de fréquence limitée due à la capacité parasite. Pour un matériau de noyau donné, plus l'inductance utilisée pour obtenir un filtrage basse fréquence est élevée, plus le nombre de spires nécessaires est important et par conséquent la capacité parasite qui déjoue le filtrage haute fréquence.

Une inadéquation entre les enroulements par rapport à la tolérance de fabrication mécanique peut entraîner une conversion de mode, où un pourcentage de l'énergie du signal est converti en bruit de mode commun et vice-versa. Ce scénario soulève des problèmes de compatibilité électromagnétique et d'immunité. Les décalages réduisent également l'inductance effective dans chaque jambe.

Quoi qu'il en soit, les selfs de mode commun présentent un avantage significatif par rapport aux autres options lorsque les signaux différentiels (pour passer) fonctionnent dans la même plage de fréquences que le bruit de mode commun qui doit être supprimé. Avec une self de mode commun, la bande passante du signal peut s'étendre dans la bande de rejet de mode commun.

Filtres EMI monolithiquesMalgré la popularité des selfs de mode commun, une alternative peut être les filtres EMI monolithiques. Lorsqu'ils sont correctement disposés, ces composants céramiques multicouches offrent un excellent rejet du bruit de mode commun. Ils combinent deux condensateurs shunt équilibrés dans un seul boîtier, avec une annulation d'inductance mutuelle et un effet de blindage. Ces filtres utilisent deux voies électriques distinctes dans un seul appareil relié à quatre connexions externes.

Pour éviter toute confusion, il convient de noter qu'un filtre EMI monolithique n'est pas un condensateur de traversée traditionnel. Bien qu'ils semblent identiques (même emballage et aspect extérieur), leur conception est très différente et ils ne sont pas connectés de la même manière. Comme les autres filtres EMI, les filtres EMI monolithiques atténuent toute l'énergie au-dessus d'une fréquence de coupure spécifiée et ne sélectionnent que pour transmettre l'énergie du signal requise tout en détournant les bruits indésirables vers la "masse".

La clé, cependant, est la très faible inductance et l'impédance adaptée. Avec les filtres EMI monolithiques, les terminaisons se connectent en interne à une électrode de référence commune (blindage) à l'intérieur du dispositif, et les plaques sont séparées par l'électrode de référence. Du point de vue électrostatique, les trois nœuds électriques sont formés de deux moitiés capacitives qui partagent des électrodes de référence communes, toutes contenues dans un seul corps en céramique.

L'équilibre entre les moitiés de condensateur signifie également que les effets piézoélectriques sont égaux et opposés, s'annulant. Cette relation affecte également les variations de température et de tension, de sorte que les composants vieillissent de manière égale sur les deux lignes. S'il y a un inconvénient à ces filtres EMI monolithiques, c'est qu'ils ne peuvent pas être utilisés si le bruit de mode commun est à la même fréquence que le signal différentiel. "Lorsque c'est le cas, le starter de mode commun est une meilleure solution", explique Cambrelin.

Johanson Dielectrics www.johansondielectrics.com