Quels types de filtres CEM sont les meilleurs pour réussir les tests de compatibilité électromagnétique?

Lorsque vous devez réussir les tests CEM et que votre nouveau produit est handicapé par une source mystérieuse d'EMI, vous envisagerez probablement une refonte complète du produit. Votre empilement, la disposition/le routage et le placement des composants sont de bons points de départ, mais il pourrait y avoir plus à faire pour supprimer des sources spécifiques d'EMI.

Il existe de nombreux types de filtres EMI que vous pouvez intégrer dans votre conception, et le bon filtre peut aider à supprimer l'EMI dans une variété de gammes de fréquences. Ces circuits peuvent être de type passif ou actif et offrir différents niveaux de suppression dans différentes bandes passantes. Le meilleur choix de filtre EMI pour votre conception dépend de divers facteurs, allant de l'espace disponible sur votre carte à l'atténuation requise. De plus, certains filtres sont relativement larges (par exemple, les ampli-ops), tandis que d'autres circuits ne peuvent cibler que des gammes de fréquences étroites.

Types de filtres EMI

Tous les filtres CEM peuvent être classés en filtres passifs et actifs, chaque type étant construit respectivement avec des composants passifs ou actifs. En approfondissant, ces différents types de filtres ciblent des types spécifiques de bruits: soit en mode commun soit en mode différentiel. Évidemment, ces circuits peuvent être mis en cascade pour fournir un filtrage des deux types de CEM. Lorsque vous essayez de corriger un problème de CEM, y compris après un échec aux tests de compatibilité électromagnétique, vous pourriez avoir besoin de mettre en œuvre plusieurs solutions au-delà du filtrage.

Passons en revue les types courants de filtres CEM se classant dans chaque catégorie:

Filtres CEM passifs

Filtres CEM passifs en mode différentiel

Peut-être le filtre CEM passif le plus courant est une perle de ferrite. Il s'agit essentiellement d'une inductance avec une certaine capacité parasite qui fournit une filtration passe-bas jusqu'à plusieurs dizaines de MHz. Ces composants peuvent fournir une filtration du mode commun ou du mode différentiel des CEM conduits. Si vous lisez ceci sur un ordinateur portable, alors votre cordon d'alimentation utilise probablement l'une de ces perles pour éliminer le bruit haute fréquence sur la ligne d'entrée électrique. Lorsque vous regardez le PCB, il y a plusieurs autres circuits que vous pouvez utiliser pour fournir une filtration.

L'image ci-dessous montre une collection de circuits LC utilisés comme filtres EMI passifs en mode différentiel. Ces circuits de filtrage sont des circuits en mode différentiel car, physiquement, nous n'aurions qu'une seule référence pour le chemin de retour. Un exemple ici serait un appareil alimenté avec une tension CC à 2 fils, comme avec une alimentation de laboratoire ou une batterie. Notez qu'il peut y avoir un châssis flottant ou relié à la terre à proximité, mais dans les circuits ci-dessous, il ne participe pas directement à la conduction du courant et est parfaitement isolé du reste du système.

Les filtres les plus simples parmi ceux-ci sont les filtres C (connectés comme condensateurs en dérivation) et les filtres L (connectés comme inductances en série). Ils peuvent être placés dans un circuit critique ou à l'entrée d'un composant critique afin d'éliminer le bruit sur une large gamme de fréquences. Des configurations plus complexes sont montrées dans l'image ci-dessous. Concernant les filtres Pi et T, ils sont mieux utilisés respectivement avec des impédances de source/charge faibles et élevées.

Si vous avez besoin de faire passer votre signal souhaité dans un composant tout en supprimant toutes les autres fréquences, alors vous devez construire un filtre passe-bande. De même, vous pourriez vouloir supprimer un signal fort à une seule fréquence (comme une émission parasite d'une antenne), ce qui nécessiterait un filtre coupe-bande. Notez que le nombre d'éléments L/C dans le circuit détermine le numéro du filtre ; construire un filtre d'ordre supérieur (c'est-à-dire, en cascade) fournira une coupure plus raide à l'extérieur de la bande passante.

Filtres EMI passifs en mode commun

La liste ci-dessus des filtres EMI peut être construite comme des filtres en mode commun en introduisant un conducteur de référence supplémentaire. Comme on le sait bien, les courants en mode commun sont induits via une capacité parasite vers une référence extérieure, telle que le métal dans le châssis ou un conducteur externe (c'est-à-dire, via une boucle de terre). Les courants en mode commun peuvent également entrer dans un système via ses lignes d'alimentation, par exemple, via la sortie d'une alimentation DC à découpage ou depuis le réseau AC.

Pour traiter le bruit en mode commun, vous avez trois options potentielles que vous pouvez utiliser sur une ligne différentielle :

1. Utilisez un élément à haute impédance en série sur la ligne, à savoir une self de mode commun
2. Utilisez un élément de dérivation à faible impédance pour revenir à la référence du système (généralement le châssis ou retour à la terre)
3. Modifiez l'agencement pour éliminer le couplage capacitif

L'image ci-dessous montre un arrangement où nous avons satisfait aux points 1 et 2. Le circuit de filtre EMI ci-dessous s'applique à une entrée de courant alternatif, ou à une entrée DC à 2 fils (+V et commun DC) avec un fil relié à la terre connectant au châssis. Ce circuit contient deux éléments séparés: une self de mode commun et un filtre passe-bas via une paire de condensateurs.

Filtres EMI actifs

Les filtres actifs sont l'analogie transistorisée des filtres passifs. Ces filtres utilisent des ampli-ops et des passifs pour fournir une filtration dans la bande passante désirée. Ces filtres peuvent également être construits comme des filtres d'ordre supérieur pour fournir une coupure abrupte avec des bandes passantes ou des bandes d'arrêt relativement plates. N'importe lequel des filtres fondamentaux équivalents peut être construit avec des ampli-ops, et ces filtres sont parfois intégrés dans des SoCs ou d'autres CI spécialisés pour des applications particulières. Ils peuvent également être configurés pour supprimer le bruit en mode commun et en mode différentiel dans un seul circuit.

Un exemple serait le schéma ci-dessus avec le filtre en mode commun et la paire de condensateurs connectés à un ampli op. La fonction de transfert de l'amplificateur peut ensuite être ajustée en ajoutant des éléments réactifs à la boucle de rétroaction, bien que vous deviez faire attention à la stabilité de ce type de circuit de filtre EMI actif. Ce domaine de la conception électronique est assez vaste et est couvert dans de nombreux manuels. Un excellent manuel sur ce sujet est Manual of Active Filter Design de John L. Hilburn.

Aller plus loin vers les fréquences micro-ondes et mmWave

Les tests et la conformité EMI/EMC dans ce régime sont plus compliqués, tout comme le sont les dispositifs conçus et testés. Lorsque l'EMI provenant d'un produit en test est un problème majeur, ou lorsque l'EMI à l'intérieur d'un produit est difficile à résoudre, il existe des choix de conception plus avancés à considérer au-delà des points mentionnés ci-dessus. Les revêtements conformes absorbants peuvent aider à fournir une isolation supplémentaire, en particulier pour l'EMI provenant du bord de la carte à des fréquences GHz. Des structures d'isolation uniques peuvent également contribuer grandement à supprimer l'EMI rayonnée entre différents blocs de circuits dans un produit, ainsi qu'à fournir une isolation supplémentaire contre l'EMI externe. Les meilleures pratiques pour la disposition/routage RF, la conception de l'empilement et l'architecture d'interconnexion RF unique contribueront grandement à supprimer l'émission et la réception d'EMI de ces types de produits.

Peu importe les types de filtres EMI, la géométrie d'interconnexion ou les techniques d'isolation que vous utilisez, vous devriez simuler leurs effets sur l'intégrité du signal en utilisant des outils de simulation avant et après la disposition. Les simulations SPICE avant la disposition sont idéales pour qualifier les conceptions de filtres EMI et s'assurer que votre filtre fournit le niveau d'atténuation adéquat dans la bande passante souhaitée.

Quand utiliser les circuits de filtre EMI

Un point important à considérer est les actions à entreprendre lorsqu'un design ne passe pas les tests CEM. Chaque fois qu'un client me demande de retravailler l'un de leurs designs en raison d'un échec aux tests CEM, la solution ne nécessite pas toujours des circuits de filtrage. Parfois, le problème concerne une mise à la terre adéquate sur la carte et dans le boîtier, ou la solution peut impliquer de retravailler un circuit spécifique en plus d'ajouter une filtration EMI.

1. Commencez par l'agencement et la mise à la terre. Chaque fois qu'on me demande de résoudre un problème EMI fantôme qui cause un échec aux tests CEM, le premier endroit où je regarde est les plans de référence séparés utilisés pour le routage numérique et la commutation inappropriée entre les plans de référence dans une carte multicouche.
2. Si vous avez tout fait correctement en termes de mise à la terre et de routage, et que vous avez encore un problème d'EMI, le problème peut nécessiter l'ajout d'un nouveau filtre EMI, ou la redéfinition d'un filtre EMI existant. Pour le bruit en mode commun, vous devrez peut-être reconsidérer la manière dont vous avez mis à la terre le système pour éviter le couplage de bruit capacitif dans le PCB.
3. Les deux étapes mentionnées ci-dessus ciblent principalement l'EMI (interférence électromagnétique) conduite entrant ou sortant d'un système, ainsi que toute EMI rayonnée produite par les courants conduits. Si vous avez utilisé des filtres EMI et mis en œuvre les meilleures pratiques de disposition pour votre carte, et que vous observez toujours une forte EMI rayonnée, alors vous pourriez avoir besoin de devenir plus agressif et d'ajouter un blindage au niveau de la carte ou de l'enceinte.

Au-delà des points mentionnés ci-dessus, le filtrage EMI pourrait être obligatoire pour certains systèmes. Deux exemples sont les systèmes de mesure et de contrôle de précision qui interagissent avec des signaux analogiques de faible niveau, ou dans des systèmes de haute puissance qui se connectent au réseau. Considérez ces points et les sources d'EMI particulières avant de commencer à ajouter des circuits de filtrage à chaque interface de votre système.

Si vous choisissez d'utiliser des conceptions de filtres EMI ou des tactiques plus agressives comme le blindage au niveau de la carte dans votre carte, utilisez les outils de conception dans Altium Designer® pour créer votre disposition physique et préparer votre conception pour la fabrication. Vous pouvez utiliser l'extension EDB Exporter pour importer votre disposition dans les solveurs de champ Ansys et identifier les problèmes d'EMI dans votre conception. Lorsque vous êtes prêt à envoyer votre conception pour la fabrication et l'assemblage, vous pouvez facilement libérer vos données de conception à votre fabricant avec la plateforme Altium 365™.

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