Comment combattre les interférences électromagnétiques (EMI) de l'alimentation dans votre PCB

Les alimentations sont l'un de ces systèmes que nous avons tendance à prendre pour acquis. La première tâche de chacun dans la conception d'une alimentation est généralement de s'assurer que la tension et le courant de sortie atteignent le niveau souhaité, probablement suivie par des considérations thermiques. Cependant, en raison des problèmes de sécurité, des exigences CEM, de l'utilisation de fréquences PWM plus élevées et du besoin d'un emballage plus petit, l'EMI de l'alimentation électrique devrait être une considération de conception majeure. Ignorer l'EMI de l'alimentation électrique se fait au risque du concepteur, car ne pas réussir les tests de CEM entraînera une série de redesigns qui gaspillent du temps et de l'argent.

Avec cela dit, quelles sont les principales sources d'EMI de l'alimentation électrique, et comment les concepteurs d'alimentations peuvent-ils les maîtriser ? L'EMI provenant d'une alimentation se manifeste principalement sous forme d'EMI conduite étant dirigée vers une charge, mais il y a aussi de l'EMI rayonnée provenant de l'appareil, en particulier lors de la conception de régulateurs de commutation à fort courant. Bien que nous ne puissions pas couvrir chaque source dans cet article, je compilerai une liste de stratégies qui peuvent vous aider à commencer à résoudre certains problèmes courants d'EMI de l'alimentation électrique.

Trouver la Cause de l'EMI de l'Alimentation

Comme je l'ai mentionné ci-dessus, les alimentations électriques produisent principalement de l'EMI (interférence électromagnétique) conduite, bien qu'il puisse y avoir une EMI rayonnée particulièrement forte dans les alimentations à découpage. Lorsque nous pensons à l'EMI dans les alimentations, nous devons considérer la topologie, et si nous voulons adresser les courants indésirables ou les émissions indésirables, lors de la planification de l'agencement du PCB. Un régulateur linéaire simple ou un LDO aura moins de problèmes à adresser qu'un régulateur à découpage de haute fréquence et de haut courant.

Dans le tableau ci-dessous, j'ai décrit les trois sources communes d'EMI et leurs causes dans les unités d'alimentation électrique et dans les circuits régulateurs embarqués. Juste un instant, nous avons parfois besoin de distinguer entre l'EMI qui se produit à l'intérieur de l'alimentation électrique et l'EMI qui est reçue par la carte connectée à l'alimentation électrique. En réalité, l'ampleur de l'EMI dans chaque type de système est une question d'échelle ; les mécanismes fondamentaux qui produisent l'EMI sont les mêmes dans les régulateurs de puissance embarqués et les unités d'alimentation électrique.

Des volumes ont été écrits sur chacun de ces domaines, et chaque domaine ne peut pas être pris isolément. Par exemple, divers modes de fonctionnement (par exemple, le bruit de commutation) et paramètres de commutation (fréquence PWM élevée) peuvent se combiner pour produire des courants en mode commun, qui génèrent ensuite de l'EMI ou sont conduits vers des composants en aval pour réduire la livraison de puissance totale.

Examinons brièvement chacun de ces domaines pour voir comment ils se rapportent à l'EMI des alimentations électriques.

Courants en mode commun

Les facteurs des courants en mode commun sont un peu contre-intuitifs. Les courants en mode commun sont un effet électrique, c'est-à-dire entraînés par des changements dans le champ électrique, donc les courants en mode commun dans les alimentations sont médiés par une capacité parasite vers le châssis, plutôt que par une inductance parasite. Le graphique ci-dessous montre un exemple de courant d'entrée dans une section de régulation DC d'une alimentation apparaissant comme bruit en mode commun sur les rails PWR/GND.

Notez que ce chemin de courant peut apparaître dans le système même après que le bruit en mode commun d'entrée soit filtré depuis l'entrée AC principale. Il peut également avoir une très grande inductance de boucle, créant un nouvel emplacement pour émettre ou recevoir des EMI.

Pourquoi cela devrait-il se produire en premier lieu ? La raison est qu'il existe une différence de potentiel entre le Point A dans le diagramme ci-dessus et le châssis, permettant à un certain courant de se conduire vers les principaux via la capacité parasite. Un problème similaire peut se produire dans les cartes Ethernet avec des sections de terre séparées, où le bruit en mode commun peut se coupler au côté PHY d'un lien de réseau Ethernet.

La solution : Cela dépend de la manière dont les courants en mode commun pénètrent dans le système. Pour les courants conduits depuis le réseau AC, vous aurez besoin d'une certaine filtration à la sortie de l'alimentation. Un filtre en mode commun est standard, ou vous pouvez utiliser un filtre de courant en mode commun avec une topologie passe-bas. Un filtre en pi peut être utilisé pour une filtration supplémentaire du bruit en mode différentiel. Dans certains systèmes, comme les commutateurs Ethernet industriels, les courants en mode commun se produiront, mais votre travail consiste à les empêcher de se conduire dans des circuits sensibles en suivant vos chemins de retour.

Qu'est-ce qui cause le tintement parasitaire ?

Dans le tableau ci-dessus, j'ai identifié quelques causes de l'oscillation qui peuvent survenir, particulièrement en mode de fonctionnement discontinu. Cependant, les parasites peuvent également modifier les conditions d'amortissement dans la conception, conduisant à une résonance sous-amortie avec oscillation. Il existe de nombreux parasites trouvés dans les composants réels qui influenceront l'oscillation. L'oscillation n'est pas exactement une forme d'EMI puisqu'elle est causée par des éléments réactifs dans les circuits réels. Cependant, l'oscillation sous ses différentes formes peut contribuer à d'autres formes d'EMI (voir cet article pour un exemple), elle devrait donc être incluse dans une discussion sur l'EMI, surtout dans les alimentations électriques. Certains parasites qui sont des participants proéminents dans l'oscillation incluent :

• l'inductance des fils de connexion du MOSFET, la capacité du corps
• la capacité de bobinage de l'inducteur/transformateur
• l'inductance parasitaire dans les chemins de courant dans la disposition du PCB
• l'interaction entre les parasites et les éléments RLC intentionnels dans le circuit

Les parasites et les composants souhaités dans la disposition de l'alimentation électrique forment un circuit RLC équivalent, qui pourrait présenter une résonance sous-amortie. L'oscillation apparaît comme un bruit en mode différentiel sur la sortie avec un spectre de puissance s'étendant dans les hautes fréquences MHz, selon la fréquence de résonance du circuit RLC équivalent formé par les parasites.

La solution : Utiliser des composants avec des parasitiques plus petits, ce qui peut signifier des composants physiquement plus grands ou plus petits. Malheureusement, cela n'est pas aussi simple qu'il y paraît, tant en pratique qu'en simulation. De plus, vous devez vous concentrer sur les parasitiques qui importent le plus dans votre conception, et vous devrez accepter que votre agencement ne sera jamais totalement exempt de parasitiques.

EMI rayonnées

L'EMI rayonnée a deux sources principales. Premièrement, elle se produit par rafales dans un régulateur à découpage chaque fois que le MOSFET bascule, ce qui génère également une certaine EMI conduite qui s'étend sur un large spectre de puissance (voir ci-dessous). Deuxièmement, les courants en mode commun sont également des sources d'EMI rayonnées. Le motif de rayonnement de ces deux sources peut être très complexe et peut s'étendre sur plusieurs harmoniques.

La solution : Vous devez utiliser un filtrage passe-bas pour essayer de supprimer une partie de l'EMI conduite (mode différentiel) de la sortie de l'alimentation. L'EMI rayonnée est considérablement réduite en se concentrant sur la réduction des courants en mode commun, dont le rayonnement peut être ~100 fois plus fort que l'EMI rayonnée en mode différentiel (voir les mesures d'exemple ci-dessous). L'EMI rayonnée due au commutateur est largement inévitable, bien qu'elle puisse être supprimée avec un plan de masse près de la section de commutation et en assurant un routage à faible inductance de boucle.

Notez que le spectre EMI conduit montré ci-dessus pourrait également apparaître dans le spectre EMI rayonné. Cela peut également être observé avec les cristaux de commutation, qui peuvent rayonner fortement en raison de grandes inductances de boucle le long du chemin de la ligne de signal d'horloge. Le même phénomène peut se produire lorsqu'un signal PWM de haute fréquence n'est pas routé près d'un grand plan de référence. Ce problème secondaire est lié au routage, plutôt qu'à la nature même de la commutation dans les MOSFETs ou autres composants de commutation.

Dans le cas où ces mesures ne suffisent pas, il existe des mesures de blindage qui peuvent être mises en œuvre sur la carte. La plupart des concepteurs connaissent probablement les boîtes de blindage, qui peuvent être montées sur la carte et utilisées pour cibler des circuits spécifiques ou des groupes de composants. Ensuite, il y a les solutions d'encapsulation, telles que les rubans conducteurs, les joints conducteurs, les matériaux de blindage en maille, et autres, qui peuvent être montés sur l'encapsulation. Soyez attentif à la manière dont vous mettez ces solutions à la terre ; l'utilisation correcte nécessaire pour créer une cage de Faraday dans la conception dépend de la façon dont vous avez défini "la terre" dans votre système (c'est-à-dire, la terre, le châssis, ou la masse du système).

Diagnostiquer les problèmes d'EMI dans les alimentations

Les simulations SPICE sont excellentes pour examiner la topologie et les performances électriques de vos circuits d'alimentation, en particulier les régulateurs à découpage qui peuvent produire du bruit conduit ou rayonné. Cependant, ces types d'EMI ne peuvent pas être entièrement diagnostiqués avec de simples simulations SPICE car ils peuvent dépendre fortement de la disposition physique. Un utilitaire de résolution de champ peut vous aider à identifier les emplacements dans la disposition avec une émission rayonnée forte, un fort tintement et des courants en mode commun. Pour ce faire correctement, il est nécessaire d'importer votre conception directement dans un utilitaire de résolution de champ afin que l'outil puisse considérer directement votre disposition.

Lorsque vous avez besoin d'investiguer sur l'EMI de l'alimentation électrique et de modifier votre conception pour réduire l'EMI, vous pouvez utiliser l'ensemble complet d'outils de conception de PCB dans Altium Designer®. Pour des calculs plus avancés impliquant l'EMI conduit ou rayonné, les utilisateurs d'Altium Designer peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer des conceptions dans les solveurs de champ Ansys. Cette paire d'applications de solveur de champ et de conception vous aide à vérifier votre disposition avant de commencer une série de prototypage.

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