Simulation de filtre d'IEM pour la suppression du bruit avec AD20 et Altium 365

Zachariah Peterson
|  Created: October 23, 2020  |  Updated: February 1, 2021
EMI filter simulation for power supplies

La conception et l'évaluation de votre nouveau produit nécessiteront de multiples simulations, surtout si vous devez élaborer une stratégie extrêmement stable de régulation de la puissance. Pour les alimentations, la simulation de filtre d'IEM est une étape essentielle de d'évaluation. Elle peut consister à simuler un bruit blanc gaussien directement dans le domaine fréquentiel ou à analyser la réponse en fréquence d'un circuit pour déterminer où le bruit conduit/radié peut produire une forte réponse dans le circuit.

 

Dans une véritable simulation de filtre d'IEM pour alimentations, vous devez étudier comment le parasitage et le couplage des composants réactifs engendrent une fonction de transfert complexe avec de multiples résonances. Comme nous voulons nous assurer que le filtre d'IEM ne dépasse que la tension de ligne de 60 Hz en courant alternatif et continu, nous devons déterminer comment modifier un véritable filtre d'IEM pour produire un comportement de filtre passe bas.

 

Les conceptions de ces systèmes peuvent s'avérer complexes et nécessitent souvent que plusieurs collaborateurs travaillent ensemble sur le projet. Lorsque vous avez besoin de partager votre projet avec des collaborateurs, vous pouvez utiliser les fonctions de partage et de gestion de contenu d'Altium 365® pour partager les données en toute sécurité avec votre équipe. Après avoir validé votre conception dans Altium Designer, vous pouvez facilement partager vos schémas, données de simulation, modèles de composants et toutes les autres données nécessaires à votre projet. Voici à quoi peut ressembler votre flux de travail de simulation quand vous utilisez Altium Designer avec la plateforme Altium 365.

Simulations de filtres d'IEM à partir de vos schémas

Si vous utilisez un éditeur de schémas doté d'un simulateur SPICE intégré, il est facile de créer une simulation de filtre d'IEM. L'environnement unifié d'Altium Designer vous permet de générer immédiatement des résultats de simulation analogiques dans le domaine temporel ou fréquentiel. Si vous êtes encore à l'étape de validation de la conception, il vous suffit de créer votre schéma à l'aide de la bibliothèque Miscellaneous Devices, accessible depuis le panneau des composants. Vous pouvez également créer des modèles de simulation personnalisés et les importer en tant que composants personnalisés pour les utiliser dans une simulation de filtre d'IEM.

L'image ci-dessous montre mon schéma de simulation de filtre d'IEM. Un filtre d'entrée est placé après la source de tension, et il est ensuite connecté à une perle de ferrite (L1) entre un condensateur de filtre (C1) et un shunt de circuit RC (C2). Deux condensateurs de sortie (C3 et C4) sont inclus pour un filtrage supplémentaire du courant alternatif. Ici, j'ai inclus certaines valeurs ESL typiques dans les condensateurs C1-C4, ainsi que l'élément capacitif parasite et la résistance parallèle pour le modèle de perle de ferrite. Notez que les valeurs ESR des condensateurs ont été ignorées car elles sont généralement de l'ordre des milliOhms et n'ont donc aucun effet dans cette simulation.

EMI filter simulation schematic
Schéma de simulation de filtre d'IEM.

La sortie de mon filtre d'IEM est connectée à une charge de 1 MOhm. Ici, nous étudions comment ce filtre d'IEM affectera un signal du réseau de 60 Hz en courant alternatif et tout bruit haute fréquence superposé (rayonné, ondulé ou conduit). On peut le faire de deux manières différentes :

  1. Générer un bruit aléatoire dans le domaine temporel et effectuer une analyse en régime transitoire pour étudier le mode de propagation de ce bruit à la sortie. 
  2. Examiner la réponse du circuit dans le domaine fréquentiel et utiliser la fonction de transfert du filtre d'IEM pour identifier les résonances dues au couplage parasite dans le circuit.

Ici, je vais adopter la dernière approche, car le circuit illustré ci-dessus est purement linéaire, donc les fonctions de transfert sont bien définies pour tout signal de courant alternatif.

Étape 1 : identification des résonances

L'image ci-dessous montre les résultats d'un premier balayage de fréquence du courant continu à 1 MHz ; j'ai réglé la limite inférieure de l'axe X sur 1 kHz pour plus de clarté. Cette simulation sommaire montre le signal de sortie observé pour une onde sinusoïdale à un courant alternatif d'entrée de 50 mV, qui a été utilisé pour détecter les résonances dans ce filtre d'IEM. Comme nous souhaitons filtrer le bruit à large bande, tel qu'il peut être généré par un régulateur à découpage en aval ou un redresseur en amont, nous voulons repérer toutes ces résonances et les atténuer autant que possible.

EMI filter simulation: initial frequency sweep results.
Simulation de filtre d'IEM : résultats du premier balayage de fréquence.

Dans les résultats ci-dessus, j'ai repéré les composants responsables de la production de ces fortes résonances. Ces résonances indiquent quelles composantes du bruit (fréquences spécifiques) peuvent générer un pic de tension important à la sortie. La résonance à env. 22 kHz est assez importante et présente un gain d'env. 10. En d'autres termes, un bruit à bande étroite qui recouvre cette résonance particulière d'à peine 1 uV peut produire un pic de 50 mV à la sortie lorsqu'il est mesuré dans la même largeur de bande. Cela serait largement suffisant pour dépasser l'ondulation autorisée à la sortie. En outre, tout bruit de commutation ou harmonique plus élevé généré par le redresseur pourrait exciter cette résonance, ce qui produirait un bruit important lors d'une mesure d'IEM avec une sonde en champ proche.

La résonance C1 est suffisamment importante pour pouvoir être atténuée par l'ajout d'un shunt de circuit RC en parallèle à C1 (avant L1) ou une résistance en série à C1. On peut atténuer la résonance L1 et la résonance C3 + C4 de la même manière : il suffit d'ajouter une résistance en série à ces deux réseaux.

Étape 2 : atténuation de la résonance C1

Il est possible d'atténuer la résonance C1 du graphique ci-dessus en ajoutant une petite résistance en série. Les résultats du balayage de fréquence pour le cas de figure comportant une résistance en série de 1 kOhm dans la partie C1 du filtre sont illustrés ci-dessous. Nous constatons clairement que cette résistance en série supplémentaire atténue la résonance C1 au point qu'elle n'est plus visible dans la fonction de transfert du filtre. Cependant, nous avons créé un nouveau problème dans la mesure où la résonance d'env. 550 kHz présente un gain énorme d'env. 10. Cela est dû au couplage des composants réactifs avec leurs parasites, ce qui est un comportement typique dans les circuits non triviaux comportant plusieurs composants réactifs. Cet article donne un excellent exemple de ce phénomène.

Adding damping in an EMI filter simulation
Résultats de la simulation du filtre d'IEM pour l'atténuation de la résonance C1.

Étape 3 : atténuation des résonances de 20 kHz et 550 kHz

Pour atténuer les résonances restantes, je vais essayer d'ajouter une résistance en série entre L1 et C3. Comme nous allons le voir, il suffit d'une toute petite résistance pour fournir l'atténuation nécessaire. Idéalement, vous devriez utiliser la plus petite résistance possible car vous voulez atténuer ces résonances sans perdre de puissance. Le schéma modifié avec une résistance en série (RD) de 10 Ohms est illustré ci-dessous.

Adding damping with resistors in an EMI filter simulation schematic
Schéma modifié avec des résistances en série ajoutées.

Ici, je vais utiliser un balayage paramétrique pour faire varier la valeur de RD et déterminer la meilleure valeur à utiliser pour l'atténuation des résonances de 20 kHz et 550 kHz. Comme illustré ci-dessous, une très petite valeur de RD suffit pour atténuer considérablement les deux résonances. J'ai fait passer la valeur de RD de 1 à 6 Ohms ; il suffit d'une résistance en série de quelques Ohms pour atténuer totalement la résonance de 20 kHz ; la résonance de 550 kHz subit également une atténuation significative avec cette résistance supplémentaire.

Adding damping in an EMI filter simulation
Ajout d'une résistance en série pour une atténuation plus importante dans une simulation de filtre d'IEM.

Ici, je me contenterais d'une résistance d'env. 2 Ohms car je préfère ne pas sacrifier le transfert de puissance lors de l'atténuation de ces résonances. Les tests d'IEM constitueront la référence absolue. Ils devront ensuite être comparés aux normes CISPR pour déterminer la conformité IEM/CEM.

Étape 4 : partage sur Altium 365

Maintenant que vous avez terminé votre simulation de filtre d'IEM, vous pouvez la transférer dans votre espace de travail Altium 365 et la partager avec vos collaborateurs. Tous les membres de votre équipe pourront accéder à vos schémas avec votre modèle de filtre d'IEM, et ils pourront exécuter leurs propres simulations dans Altium Designer. Si vous utilisez Altium 365 pour le partage et la collaboration, votre équipe n'aura pas besoin de multiplier multiplier les échanges par e-mail pour partager les données de conception.

RÉSUMÉ

En résumé, nous avons utilisé Altium Designer pour créer et exécuter une simulation de filtre d'IEM, et les résultats sont partagés sur Altium 365. Une fois le projet officiellement lancé, vos collaborateurs pourront télécharger le fichier SDF contenant les résultats de la simulation et effectuer leurs propres analyses.

Ce n'est peut-être pas évident lorsqu'on examine les résultats du balayage de fréquence ci-dessus, mais votre propre filtre d'IEM peut également comporter des bandes d'arrêt. On le voit plus facilement sur un graphique des pôles et des zéros du circuit atténué. Ce type d'analyse porte sur la fonction de transfert du filtre d'IEM et calcule les points critiques de la fonction de transfert.

Les étapes indiquées ci-dessus concernaient une simulation de filtre d'IEM, mais vous pouvez utiliser le même processus pour concevoir n'importe quel autre type de filtre ou de circuit lorsque vous utilisez les fonctions de simulation intégrées d'Altium Designer®. Une fois que vous êtes prêt à concevoir votre routage de circuit imprimé, vous pouvez capturer votre schéma instantanément en tant que nouveau routage et partager les données de votre projet à tout moment par le biais de la plateforme Altium 365.

En permettant aux concepteurs de travailler de chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent, la solution Altium Designer disponible sur Altium 365  offre à l'industrie électronique un degré d'intégration inégalé qui était jusqu'à présent réservé au secteur informatique.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page produit pour obtenir une description plus détaillée des fonctionnalités ou visionner l'un des webinaires à la demande.

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Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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