Construction d'une cage de Faraday pour contenir les EMI, Partie 1

Kella Knack
|  Créé: November 4, 2019  |  Mise à jour: February 8, 2021

Les EMI (interférences électromagnétiques) sont un phénomène qui peut nuire à la conception d'un produit s'il n'est pas correctement et soigneusement abordé. 

L'un des moyens les plus souvent utilisés, mais pas nécessairement bien compris pour contenir les EMI est l'utilisation d'une cage de Faraday. Cet article, en deux parties, donne un aperçu des EMI, de la manière dont elles peuvent interférer avec d'autres produits, et de la manière de traiter les EMI grâce à la conception et à la mise en œuvre réussies de cages de Faraday. 

Cet article aborde également la question des EMI et de leur origine, les motifs et leur application aux circuits électroniques, la manière d'évacuer la chaleur d'une cage de Faraday tout en confinant les EMI, la manière de faire entrer et sortir des signaux d'une cage de Faraday sans laisser sortir les EMI, la manière d'alimenter un produit sans laisser sortir les EMI et la construction d'une cage de Faraday pour les produits montés en rack qui possèdent des cartes enfichables et des panneaux arrière. 

La première partie de cet article couvre les différentes façons dont les EMI s'échappent des produits et comment construire une cage de Faraday pour les contenir. 

La deuxième partie se focalise sur l'alimentation d'un produit sans laisser échapper les EMI, la construction d'une cage de Faraday pour les produits montés en rack et la question de savoir si la masse logique doit être connectée à une cage de Faraday ou non.

Qu'est-ce que les EMI et d'où viennent-elles ?

Comme indiqué ci-dessus, EMI signifie Interférence électromagnétique. 

Dans les configurations électroniques, l'EMI peut se dissiper d'un produit et interférer avec un autre. 

Cela peut se produire de deux façons :

  • L'énergie électromagnétique peut s'échapper dans l'espace parce qu'une antenne accidentelle s'étend à partir du produit.

  • L'énergie électromagnétique peut être conduite hors des lignes électriques du produit et vers les terminaux électriques d'un autre produit.

La norme commerciale pour l'EMI émise est mesurée dans la bande de fréquences allant de 30 MHz à 1 GHz ou à 5 fois la fréquence d'horloge la plus élevée, selon la plus élevée des deux. 

L'EMI conduite est mesuré dans la bande de fréquences allant de 150 KHz à 30 MHz.

CEM signifie Compatibilité Électromagnétique. Cela signifie qu'un produit a été conçu de manière à ce qu'il ne soit pas perturbé par d'autres produits par des EMI, qu'ils soient rayonnés ou conduits. En d'autres termes, le bruit sous forme de rayonnement électromagnétique provenant d'une autre source qui peut entraîner le dysfonctionnement d'un produit ne l'affecte pas. La cage de Faraday résout également ce problème.

En termes simples, les émissions rayonnées sont des liaisons radioélectriques indésirables. Si nous réfléchissons à ce qui est nécessaire pour créer une bonne liaison radio (c'est-à-dire un transistor), il devient plus facile de comprendre ce qui doit être fait pour éliminer un problème d'EMI. 

Les deux éléments nécessaires dans un émetteur radio sont :

  • Une source d'énergie RF (émetteur).

  • Une surface rayonnante (antenne).

Contrôler les EMI implique d'éliminer soit la source, soit l'antenne

Les méthodes empiriques adoptées par la communauté des ingénieurs ont eu tendance à se limiter à la suppression de la source des EMI. 

Ces méthodes ont évolué au cours des années 1980, lorsque les fréquences de fonctionnement des produits étaient bien inférieures au point de départ de 30 MHz pour la mesure des EMI. 

À cette époque, les ASIC avaient parfois des vitesses suffisamment rapides pour générer du bruit dans la gamme de 30 MHz à 1 GHz. 

L'insertion d'un anneau de ferrite dans le câble d'alimentation d'un tel dispositif l'empêchait de fonctionner assez vite pour provoquer des EMI. Ces techniques visaient à éliminer la source des EMI.

Étant donné que l'électronique moderne fonctionne bien au-dessus du point de départ de 30 MHz pour la mesure des EMI rayonnées, il n'est pas possible de les supprimer à l'aide de perles de ferrite et d'autres méthodes similaires. Par conséquent, l'élimination des antennes accidentelles devient la méthode de facto pour éliminer les EMI.

Les éléments qui font de bonnes antennes sont les suivants :

  •  Les éléments qui dépassent du circuit imprimé, tels que les grilles de connexion PLCC et autres éléments qui quittent le circuit imprimé. Cela inclut les fils non blindés qui vont vers des appareils tels que les souris et les moniteurs.
    • Les choses qui ne font pas de bonnes antennes sont celles qui ne tiennent pas, comme les traces sur un circuit imprimé.
  • Deux circuits imprimés reliés par un connecteur, tel qu'un connecteur DIMM, forment une antenne dipôle.
  • Les PGA (Programmable Grid Arrays) et les BGA (Ball Grid Arrays) dans les prises font de bonnes antennes.

De plus:

  • Un jeu de deux cartes se comporte généralement comme une antenne dipôle.
  • Un fil non blindé sortant d'une cage de Faraday sera une antenne.
  • La connexion d'une masse logique à une cage de Faraday à plusieurs endroits transforme souvent la cage en antenne.
  • Un cadre conducteur de composant dépassant d'une carte de circuit imprimé est une antenne.
  • Couper les masses peut transformer un circuit imprimé en antenne dipôle.
  • La connexion d'une plaque frontale de module enfichable à une masse logique transforme la plaque frontale en antenne.

Cages de Faraday et EMI

Les antennes potentielles (fils) peuvent être traitées de trois manières. Ceux-ci comprennent

  • Les protéger lorsqu'elles quittent le produit.
  • Placer un filtre passe-bas en série avec l'antenne à l'endroit où elle quitte le produit.
  • Placer le produit dans une cage de Faraday.

Pour les besoins de cette discussion, nous nous concentrerons sur les cages de Faraday et leur rôle dans la suppression des EMI. 

Les cages de Faraday sont des enceintes métalliques qui entourent un produit qui rayonne de l'énergie dans la bande EMI. La cage de Faraday réfléchit cette énergie dans le produit mais l'absorbe rarement, et c'est la méthode ultime pour contenir les EMI. 

Une cage de Faraday est nécessaire lorsqu'un système comporte plusieurs circuits imprimés ou lorsqu'il y a de gros composants qui dépassent et peuvent servir d'antennes. 

Comme indiqué ci-dessus, la cage de Faraday elle-même peut servir d'antenne si celle-ci est reliée à la masse logique à plus d'un endroit. 

C'est ce que l'on appelle parfois à tort la "masse du châssis". Cette erreur se produit le plus souvent lorsque vous reliez la masse logique à la cage de Faraday sur le panneau arrière du système, puis que vous reliez également la masse logique aux panneaux avant des cartes enfichables.

La détection d'EMI au niveau des "fissures" est un indice que cela s'est produit. Nous avons souvent entendu dire que les EMI "fuyaient" au niveau des fissures ou des joints du boîtier. 

La cage de Faraday est généralement composée de parties du châssis, comme les côtés d'un porte-carte. C'est pourquoi le terme "masse du châssis" est souvent utilisé pour désigner le confinement des EMI. 

Ces termes prêtent à confusion car ils peuvent induire en erreur les développeurs de produits. Nous utilisons le terme "cage de Faraday" uniquement pourhttps://resources.altium.com/sites/default/files/inline-images/migrate/aHViPTY1NjQ2JmNtZD1pdGVtZWRpdG9yaW1hZ2UmZmlsZW5hbWU9aXRlbWVkaXRvcmltYWdlXzVkYzBjZmU5YjFlNmUucG5nJnZlcnNpb249MDAwMCZzaWc9NWQ3YjcyOTczOGY4MmM5ZDc2MWZkZjBiOTUyNWQ1ZmQ%25253D parler des EMI et nous le représentons par le symbole de droite. 

Il est vrai que certaines parties du châssis sont utilisées pour faire partie de la cage de Faraday, mais le "châssis" n'est pas l'enceinte de confinement des EMI. 

L'utilisation du mot "masse" dans les discussions sur l'EMI est source de confusion. En ce qui a trait à l'EMI, la masse n'est pas un endroit magique. Bruce Archambault d'IBM a donné une bonne définition du terme "masse" pour empêcher les ingénieurs d'utiliser ce mot dans les discussions sur les EMI.

Ground: The place where one plants seeds in the hope that come summertime there will be a good crop of tomatoes.

La terre : l'endroit où l'on plante des graines dans l'espoir qu'en été, il y aura une bonne récolte de tomates.

Les cages de Faraday peuvent être construites avec n'importe quel type de métal courant. La figure 1 est un exemple de produit avec une cage de Faraday. Lorsque le boîtier est peint, il est important de s'assurer que la peinture ne couvre pas les zones où les liaisons métalliques sont nécessaires, comme entre les différentes parties de la cage de Faraday et les bords de la façade.

A Typical Card Cage Based Faraday Cage

Figure 1. Une cage de Faraday typique basée sur un porte-carte

Sortir la chaleur de la cage de Faraday tout en gardant les EMI à l'intérieur

Une fois qu'un produit a été mis dans une cage de Faraday, il est non seulement étanche aux EMI, mais aussi à la chaleur. 

Vu que cette chaleur peut entraîner un mauvais fonctionnement ou une panne totale d'un produit, il est important de pouvoir l'évacuer.

Par exemple, dans les ordinateurs portables, la chaleur est évacuée grâce à une plaque chauffante qui conduit la chaleur vers l'extérieur du boîtier de l'ordinateur. 

Dans les produits de grande taille où cela n'est pas pratique, la chaleur est dissipée par de l'air en mouvement. Dans les produits dont la dissipation de la chaleur est modeste, l'air est déplacé par convection. 

Pour les produits qui ont plus de chaleur que la convection ne peut en évacuer, des ventilateurs sont utilisés. 

Quoi qu'il en soit, l'air doit pouvoir entrer dans le produit et le quitter. Cela signifie qu'il doit y avoir des ouvertures dans la cage de Faraday qui sont suffisamment grandes pour permettre à l'air de passer tout en étant suffisamment petites pour empêcher les EMI de s'échapper.

Il y a eu beaucoup de spéculations sur la taille des ouvertures qui peuvent être faites sans créer de fuite d’EMI. 

Nous n'avons vu aucun document qui illustre clairement comment déterminer la taille des orifices qui répondraient à ce critère.

Au lieu de cela, nous avons utilisé les méthodes que nous utilisons toujours - construire des structures de test et ensuite effectuer les mesures. Grâce à nos expériences, nous avons déterminé que les mailles dont les trous ne dépassent pas ¼", 6,35 mm, contiendront des EMI jusqu'à au moins 10 GHz. Une série de trous peut être percée à la surface de la cage de Faraday. 

Ensuite, un écran peut être monté de façon étanche dans un trou de la cage de Faraday. Il est également possible d'avoir une grille en nid d'abeilles tel que celle illustrée à la figure 2, qui peut être monté en haut et en bas d'une porte-carte, au-dessus et en dessous des guides de cartes. 

Si des écrans ou des nids d'abeilles sont utilisés, ils doivent être collés à la cage de Faraday tout autour. 

A honeycomb screen used as a Faraday cage that allows air out while keeping EMI in

Figure 2. Une grille en nid d'abeilles permettant à l'air de sortir tout en maintenant les EMI à l'intérieur

Contenir les EMI pendant que les signaux vont et viennent

Une cage de Faraday hermétiquement fermée est un moyen sûr de contenir les EMI. Cependant, le produit entouré par la cage de Faraday n'a que peu de valeur si les signaux ne peuvent pas aussi y entrer et en sortir.

La fibre optique est un moyen de résoudre ce problème. Avec cette technologie, il n'y a pas de chemins conducteurs à l'intérieur ou à l'extérieur de la boîte sur lesquels les EMI pourraient circuler. 

Par conséquent, il est relativement facile de rendre les produits dotés d'interfaces à fibres optiques, tels que les gros routeurs, conformes aux spécifications EMI. Pour d'autres produits, une autre approche doit être adoptée.

Il existe deux types de signaux qui peuvent entrer et sortir d'un produit par des fils. Il s'agit des signaux suivants

  • Câbles blindés tels que les câbles coaxiaux.
  • Paires torsadées blindées sur des fils non blindés.
  • Les signaux qui circulent sur des câbles blindés comprennent :
  • 10Base2 Ethernet
  • USB
  • FireWire
  • RS232
  • Signaux graphiques sur connecteurs DIN 9 broches
  • Signaux RF vers et depuis les antennes
  • Câbles Infiniband
  • HDMI

Les signaux qui circulent sur des fils non blindés comprennent :

  • Connexions de la souris
  • Contrôle des ventilateurs
  • Ethernet sur paires torsadées non blindées (UTP)
  • Connexions au clavier
  • Câblage électrique

Le traitement des signaux circulant sur un câble blindé est simple. 

Ce blindage est une extension de la cage de Faraday, il doit donc être connecté à la cage avec une connexion à très faible inductance. Pour ce faire, il faut connecter le blindage du câble à la coque du connecteur du côté du câble et connecter la coque du connecteur à la cage de Faraday du côté du produit. 

Il est important de noter que le connecteur ne doit pas être connecté à la masse logique lorsqu'il fait partie de la cage de Faraday.

Dans certains cas, il n'est pas possible d'établir une connexion CC entre le blindage du câble et la cage de Faraday, comme dans la version 10Base2 d'Ethernet. 

S'il n'y a pas de connexion entre le blindage et la cage de Faraday, le blindage peut très bien fonctionner comme une antenne indésirable. 

La figure 3 est un exemple d'un Ethernet 10Base2 sortant de l'extrémité d'une carte qui se branche sur le panneau arrière à gauche. 

Coaxial cable connected to plane capacitance to the ground and to an output transformer with parasitic capacitance to the output driver

Figure 3. 10Based 2 Connexion par câble Ethernet à la cage de Faraday

Comme le circuit est situé à l'extrémité d'une carte imprimée qui est enfichée dans le panneau arrière, il y aura des gradients de tension alternative et continue entre la "masse" du panneau arrière et la plaque frontale du circuit imprimé qui fait partie de la cage de Faraday. 

Dans la plupart des cas, les plans de masse du panneau arrière constituent un côté de la cage de Faraday, tandis que les plaques frontales des cartes enfichables constituent l'autre côté. 

Le bruit alternatif sur le circuit sera couplé du circuit primaire au circuit secondaire du transformateur de sortie grâce à la capacité parasite qui existe entre les deux. 

Par conséquent, ce bruit sera imprimé sur le blindage et les conducteurs centraux du câble blindé. Si ce blindage est connecté à la cage de Faraday, ce bruit ne se propagera que sur l'intérieur du blindage et il n'y aura donc pas d'EMI.

Le problème avec le circuit précédent est l'exigence d'Ethernet selon laquelle il ne doit pas y avoir de connexion CC à la cage de Faraday. Il ne reste donc qu'une connexion CA sous la forme d'une connexion par condensateur au choix. 

Une autre exigence est que le condensateur soit capable de supporter une tension de 1700 VDC. Il n'existe pas de condensateur qui ait à la fois la tension de claquage requise et la capacité d'établir une connexion à faible impédance entre le blindage et la cage de Faraday sur la bande de fréquences EMI rayonnée. Par conséquent, les émissions indiquées à la figure 4 peuvent se produire. 

Émissions AB 1000 avant réparation

 Figure showing AB1000 emissions of a 10Based 2 Ethernet Cable without a Plane Capacitor as a function of signal frequency in that cable.

Figure 4. Émissions du câble 10Based 2 sans condensateur plan dans la figure 5

Pour que le blindage puisse être efficace, il faut une méthode de connexion à la cage de Faraday qui réponde aux conditions électriques de la tension de rupture de 1700 V et de l'impédance CA de 30 MHz à 1 GHz.

Un condensateur à plaques parallèles fabriqué à partir des plans du circuit imprimé peut remplir cette fonction. La figure 5 montre comment ce type de condensateur est construit.

PCP à 4 couches montrant des condensateurs plans pour contourner les blindages des câbles coaxiaux 10B2 vers la cage de Faraday

 Planes in PCB layers act as parallel plate capacitors as depicted in this figure showing the four layers of a PCB to be connected to a coaxial cable.

Figure 5. Condensateurs à plaques parallèles formés à partir de couches de circuits imprimés

La figure 5 représente l'extrémité droite d'un circuit imprimé de carte fille qui s'étend vers la gauche et se branche sur un connecteur de panneau arrière. 

Le dernier pouce de la zone des quatre couches a été séparé du reste de la carte par des coupes en plan. La zone des couches supérieure et inférieure a été recouverte de cuivre et connectée à la plaque frontale à l'aide des vis de fixation de la plaque frontale. 

Cette zone sert de plaque d'un condensateur plan connecté à la cage de Faraday. La zone plane des deux couches intérieures est divisée en deux segments pour créer une plaque de condensateur pour chacun des deux connecteurs axiaux. 

Le blindage de chaque connecteur coaxial est relié à ces plaques internes formant la seconde plaque d'un condensateur à très faible inductance d'environ 370pf qui est connecté à la cage de Faraday. 

L'épaisseur minimale d'isolation est de 8 mils pour une tension de claquage supérieure à 8000 V. Une connexion CA a été réalisée entre les blindages et la cage de Faraday qui répond aux deux exigences électriques. La figure 6 illustre les émissions après que la connexion CA a été réalisée.

AB1000 CISPRB Emissions shown in dB as a function frequency after adding a plane capacitor to the PCB

Figure 6. 10Base2 Émissions après l'ajout d'un condensateur plan aux circuits imprimés

Les émissions ont été considérablement réduites en veillant à ce que le blindage du câble soit connecté à la cage de Faraday avec une faible impédance. 

La raison pour laquelle le condensateur à plaques parallèles a été efficace et pas le condensateur discret est la très faible inductance du condensateur à plaques. 

Cela a peut-être conduit à penser que certains gourous de l'EMI soutiennent que cette science est de la "magie noire". Les condensateurs discrets ont fonctionné dans le passé quand les choses étaient plus lentes et maintenant ils ne le font plus à cause de leur inductance parasite.

Les condensateurs construits à partir des couches d'un circuit imprimé peuvent également être utilisés pour construire des filtres passe-bas qui fonctionnent sur une très large gamme de fréquences. 

Cette technique fonctionne pour les lignes de contrôle qui sortent de la cage de Faraday vers les plateaux de ventilateurs ou qui vont vers les périphériques du clavier et de la souris. 

Il suffit de fixer une grande plaque de cuivre dans une couche de signal avant que celui-ci ne sorte de la boîte. La figure 7 illustre ce principe pour deux lignes de commande de ventilateur sortant d'une cage de Faraday et entourant un routeur térabit

Plane Capacitor Built Into a Signal Layer of a Backplane

Figure 7. Condensateur plan intégré dans la couche signal d'un panneau arrière

Les deux plaques de cuivre rectangulaires de la figure 7 forment des condensateurs à plaques parallèles avec les plans de masse du panneau arrière. 

Dans le cas présent, les plans de masse du panneau arrière forment un côté de la cage de Faraday. Ils sont attachés aux traces portant les signaux de commande des ventilateurs lorsqu'ils sortent de la cage de Faraday, créant ainsi un filtre passe-bas qui empêche les hautes fréquences de sortir par cette voie. 

Une technique similaire peut être utilisée sur d'autres lignes qui sortent d'un produit sans blindage.

Une version plus courante d'une connexion Ethernet consiste à utiliser des UTP (paires torsadées non blindées). Lorsque ce type de circuit est situé à l'extrémité d'une carte enfichable telle que celle illustrée à la figure 3, il en résulte à coup sûr un problème EMI. 

Ce problème peut être résolu en utilisant un transformateur avec un secondaire à prise centrale comme celui illustré à la figure 8. Le condensateur plan est attaché entre la prise centrale du secondaire et la cage de Faraday qui y dérive le bruit.

Schematic showing plane capacitor connecting the center tap of an unshielded twisted pair (UTP) to a Faraday cage

Figure 8. Condensateur plan reliant la prise centrale d'un UTP à la cage de Faraday

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Références:

  1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-SpeedPCB and System Design, Volume2.”

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Kella Knack est vice-présidente du marketing pour Speeding Edge, une société engagée dans la formation, le conseil et la publication sur sujets de conception à grande vitesse tels que l'analyse de l'intégrité du signal, la conception de circuits imprimés et le contrôle EMI. Auparavant, elle a été consultante en marketing pour un large éventail d'entreprises de haute technologie allant des start-ups aux sociétés de plusieurs milliards de dollars. Elle a également été rédactrice en chef de diverses publications commerciales électroniques couvrant les secteurs du marché des PCB, des réseaux et des EDA.

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