Comment réduire le bruit en mode commun dans votre alimentation électrique grâce à l'équilibrage d'impédance

Les circuits régulateurs de commutation simples qui fonctionnent dans des espaces compacts, comme sur un petit PCB, peuvent généralement être déployés dans des environnements bruyants sans superposer un bruit significatif sur le niveau de puissance de sortie. Tant que vous disposez correctement la carte, vous aurez probablement seulement besoin d'un circuit de filtrage simple pour éliminer l'EMI sur les entrées et les sorties. À mesure que le régulateur devient plus grand, à la fois physiquement et électriquement, les problèmes de bruit peuvent devenir beaucoup plus apparents, à savoir l'EMI rayonné et l'EMI conduit dans l'agencement du PCB.

Les courants conduits en mode commun sont un problème typique dans les convertisseurs DC-DC avec plusieurs masses, qui survient en raison du couplage capacitif. La méthode standard consiste à utiliser un filtrage sur la sortie, comme avec une bobine d'arrêt en mode commun, pour traiter le bruit de nœud commun conduit atteignant le nœud de sortie. Cependant, cela ne fait rien pour supprimer l'EMI rayonné qui existe dans la boucle de courant en mode commun, vous laissant avec le blindage comme dernière option. Et si vous pouviez supprimer les deux types de bruit avec moins de besoin de blindage ?

Dans ce type de convertisseurs à découpage, vous pouvez utiliser une approche d'équilibrage d'impédance pour supprimer le bruit en mode commun au niveau du nœud de sortie de votre alimentation. Cela suit une idée simple, où la masse du système est utilisée comme référence globale pour définir l'impédance sur les nœuds de sortie de votre alimentation. Examinons comment cela fonctionne et ce que vous devriez investiguer avec des simulations dans votre conception.

Qu'est-ce que l'Équilibrage d'Impédance ?

L'équilibrage d'impédance utilise une configuration à 3 conducteurs (2 signaux, 1 GND) pour recueillir une mesure de tension différentielle avec un amplificateur. Cette technique est utilisée dans les câbles audio XLR comme moyen de garantir qu'un récepteur différentiel puisse annuler complètement le bruit en mode commun qui pourrait être conduit à travers le câble. Mark Harris aborde brièvement ce sujet dans un article de blog récent, bien que cela ait été fait dans le contexte des capteurs plutôt que de l'audio ou des alimentations.

L'idée centrale est de régler les impédances des deux fils de signal pour qu'elles soient égales, ce qui garantira que chaque côté à extrémité unique du câble voit la même impédance d'entrée au récepteur et l'élimination du bruit en mode commun est assurée au récepteur différentiel.

Si vous y réfléchissez, l'agencement des lignes de signal et de la masse dans ce système n'est pas différent de celui des paires différentielles sur un PCB. Dans une paire différentielle, chaque trace a son impédance en mode simple définie par rapport au plan de référence de la paire (dans ce cas, un plan de masse). La seule différence entre l'équilibrage de l'impédance et la signalisation différentielle est que, dans une interconnexion à impédance équilibrée, nous n'avons pas besoin d'avoir des signaux égaux et opposés pour V1 et V2 ; théoriquement, ils pourraient être de n'importe quelle valeur. Le récepteur mesure alors la tension à travers chaque paire par rapport au plan de référence.

Équilibrage de l'Impédance dans un Convertisseur de Commutation

Le bruit en mode commun dans un convertisseur de commutation se produit en raison du couplage capacitif vers le plan de référence le plus proche, qui est typiquement le GND du châssis, ou cela pourrait être un autre grand conducteur qui fait partie du GND du système ou du blindage du boîtier. Cela peut être très problématique dans les agencements d'alimentation électrique physiquement grands qui fournissent un courant élevé ; la capacité parasite Cp (voir ci-dessous) peut être très grande, offrant une très faible impédance lors d'un événement de commutation à dI/dt élevé dans le circuit du convertisseur de commutation.

D'ici, nous pouvons voir que les flèches violettes tracent une grande boucle de courant. Même si nous supprimons les courants conduits à la charge avec une self de mode commun, il y aura une forte émission rayonnée provenant des boucles de courant de mode commun. Cela peut également se produire dans les topologies de convertisseurs à découpage qui utilisent une isolation galvanique avec un transformateur, tel qu'un convertisseur résonant LLC.

Une solution dans le circuit suivant de convertisseur boost consiste à placer des condensateurs autour de l'inductance de retour à la masse du châssis, mais avant les bornes POS_OUT et NEG_OUT. Ici, le rail négatif est relié à la masse du système à la source V1, ce qui peut faciliter un chemin pour le bruit de mode commun entre le rail négatif et le reste du système. L'ajout des condensateurs C1/C2 et de l'inductance L2 crée un circuit en pont pour le chemin suivi par le bruit de mode commun s'écoulant dans le MOSFET :

En utilisant intentionnellement des condensateurs pour relier les rails haut et bas à la masse, vous allez établir deux courants contre-propagatifs dans l'agencement qui imite un circuit en pont. Le bruit de mode commun résultant est éliminé lorsque la condition d'impédance suivante est respectée :

Ceci est discuté de manière beaucoup plus détaillée dans la référence suivante :

• Zhang, Shuaitao, et al. "Modélisation et optimisation de la technique d'équilibrage d'impédance pour l'atténuation du bruit de mode commun dans les convertisseurs DC-DC Boost." Electronics 9, n° 3 (2020) : 480.

Enfin, des stratégies similaires ont été discutées pour les entrées ADC différentielles et les pilotes de moteur en présence de bruit d'alimentation électrique :

• Bae, Bumhee, et al. "Techniques de conception sur puce pour réduire les effets du bruit d'alimentation sur l'ADC avec une structure hiérarchique puce-PCB." Dans 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, et al. "Réduction du bruit de mode commun avec équilibrage d'impédance dans les entraînements de moteurs alimentés en DC." Dans 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2515-2520. IEEE, 2018.

Une fois que vous avez créé la disposition du PCB, vous devez vous assurer de mettre en œuvre un routage symétrique sur les côtés haut et bas du MOSFET. Cela est important car cela établira des boucles de courant se propageant en sens inverse qui généreront des champs magnétiques antiparallèles. Toute partie de votre routage qui n'est pas partie intégrante de l'annulation du bruit en mode commun aura une émission rayonnée en mode différentiel, qui est considérablement plus faible que l'émission provenant des courants en mode commun.

Simuler l'Équilibrage de l'Impédance avec les Parasites

Dans le circuit ci-dessus, il est important de se rappeler que tous les composants ont des parasites et une auto-résonance, ce qui signifie que la relation d'impédance ci-dessus ne tiendra que jusqu'à une fréquence spécifique. Si vous utilisez des composants avec des fréquences de résonance propres plus élevées, vous pouvez éliminer le bruit en mode commun jusqu'à des fréquences beaucoup plus élevées. Assurez-vous de simuler la fonction de transfert de ce circuit de filtrage pour voir les limites de la suppression du bruit dans ce système.

Avec les meilleurs outils de conception de PCB dans Altium Designer®, vous pouvez facilement concevoir vos circuits et simuler un schéma d'équilibrage d'impédance pour éliminer le bruit en mode commun. Vous pouvez également capturer instantanément vos schémas dans une disposition de PCB vierge avec un ensemble complet d'outils de conception dans une seule application.

Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365 facilite la collaboration et le partage de vos projets. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus approfondie des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.