Présentation des mesures EMI et CEM des alimentations – 2e partie : EMI rayonnées

La 1re partie de cette série d'articles a abordé principalement la mesure des interférences électromagnétiques (EMI) conduites. Ici, la 2e partie aborde la mesure des EMI rayonnées.

Les EMI rayonnées constituent une énergie électromagnétique non désirée qui est transmise dans l'espace libre sous forme d'ondes électromagnétiques transversales ou via un couplage capacitif ou inductif. Les conducteurs de carte à circuit imprimé qui transportent des signaux variant dans le temps émettent une énergie électromagnétique qui se répand dans l'espace. Chaque piste de circuit imprimé est une véritable antenne capable d'émettre ou de recevoir des signaux. Si elles ne sont pas conçues correctement, les alimentations à découpage ayant des tensions et des courants de commutation élevés ont tendance à créer des EMI (Figure 1).

Figure 1 : Les signaux rencontrés dans une alimentation à découpage incluent des formes d'ondes de tension et de courant à large bande avec des vitesses de balayage élevées, ainsi que des signaux à bande étroite comme ceux associés à la fréquence de commutation et aux signaux oscillatoires comme l'oscillation. (Source de l'image : Art Pini)

Les tests d'EMI rayonnées nécessitent de mesurer la force du champ électromagnétique des signaux EMI générés par le dispositif à tester (DUT) et inhérents aux tensions et aux courants de commutation à vitesse de balayage élevée.

Les tests de conformité des EMI rayonnées sont réalisés dans une chambre anéchoïque qui isole les signaux du dispositif à tester (Figure 2). L'antenne de détection est maintenue à une distance spécifiée du dispositif à tester (typiquement un mètre). Des antennes biconiques et log-périodiques sont couramment utilisées.

Figure 2 : Les tests de conformité des EMI rayonnées se déroulent dans une chambre anéchoïque où le dispositif à tester est isolé des rayonnements RF extérieurs. (Source de l'image : Art Pini)

Le dispositif à tester est placé sur une table au-dessus d'un plan de masse. Étant donné que ces émissions ont tendance à être directionnelles, le dispositif à tester est placé sur un plateau tournant afin que l'antenne de détection ait une bonne ligne de mire. Par ailleurs, l'antenne est mobile et sa hauteur est réglable. Lors du test, l'orientation qui produit la réponse mesurée la plus élevée est notée et utilisée en tant que base pour le test de conformité. Le câblage du dispositif à tester fait partie du test et est enfermé dans un faisceau de câbles.

Le laboratoire de test analyse la bande de fréquences qui l'intéresse à l'aide d'un analyseur de spectre ou d'un récepteur EMI à la recherche d'émissions proches des limites du test. Cette analyse est réalisée pour toutes les orientations du dispositif à tester et toutes les polarisations de l'antenne. Le laboratoire de test se concentre sur chacune de ces émissions et quantifie l'amplitude de la force du champ.

La Figure 3 montre les résultats d'un test typique des émissions rayonnées sur un convertisseur abaisseur automobile de 10 ampères (A) LM61495Q3RPHRQ1 de Texas Instruments.

Figure 3 : Test typique des émissions rayonnées conformément à la norme CISPR 25 de classe 5 pour le convertisseur abaisseur de 10 A LM61495Q3RPHRQ1. Le graphique représente les limites de test pour les valeurs de crête et de quasi-crête, et la réponse moyenne du détecteur. Les données acquises pour la mesure de crête (en bleu) et la mesure moyenne (en violet) sont représentées. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les spécifications incluent des limites de test pour les valeurs de crête et de quasi-crête, et la réponse moyenne du détecteur. La réponse de quasi-crête est une réponse traitée qui pondère les crêtes d'amplitude en fonction de la fréquence d'occurrence. Les réponses mesurées de crête et moyenne sont représentées sur le graphique. Pour être conforme, chacune doit avoir des amplitudes inférieures à la limite de test appropriée.

Étant donné que les tests de conformité coûtent cher et prennent du temps, la plupart des concepteurs réalisent des tests de pré-conformité en dehors de la chambre anéchoïque à l'aide de mesures en champ proche. Les mesures en champ proche se font à 30,5 centimètres du dispositif à tester à l'aide de sonde de champ proche, comme le kit T3NFP3 de Teledyne LeCroy. Les sondes de champ proche détectent les champs électriques ou magnétiques (Figure 4). Par ailleurs, contrairement à la plupart des sondes, les sondes de champ proche ne sont pas étalonnées et sont utilisées pour réaliser des mesures relatives et pour localiser les sources des émissions.

Figure 4 : Le kit de sondes de champ proche T3NFP3 de Teledyne LeCroy contient trois sondes magnétiques et une sonde de champ électrique. (Source de l'image : Teledyne LeCroy)

Le kit de sondes de champ proche T3NFP3 contient trois sondes magnétiques et une sonde de champ électrique. Ces sondes agissent en tant qu'antennes à large bande qui détectent les émissions rayonnées dans la plage de 300 kilohertz (kHz) à 3 gigahertz (GHz). Les sondes magnétiques utilisent une structure en boucle et sont disponibles dans des diamètres de 20, 10 et 5 millimètres (mm). Les boucles plus grandes ont une sensibilité supérieure et sont parfaites pour détecter des signaux rayonnés. Les boucles plus petites sont moins sensibles, mais sont plus précises géométriquement et permettent ainsi de trouver la source des rayonnements. La sensibilité de la sonde est au maximum lorsque le champ magnétique est à un bon angle par rapport au plan de la boucle. Cette sensibilité angulaire est utilisée pour déterminer la direction de la source.

La sonde de champ électrique est une antenne unipolaire et il est important d'orienter cette sonde perpendiculairement au plan de la mesure. La sonde de champ électrique aide à identifier les sources haute tension ainsi que les sources sans terminaison.

Le kit PR262 de B&K Precision est semblable au kit T3NFP3, mais contient en plus un préamplificateur de 40 dB pour détecter les signaux très faibles (Figure 5). Il couvre la gamme de fréquences de 9 kHz à 3,2 GHz.

Figure 5 : Le kit PR262 est similaire au kit T3NFP3, mais contient en plus un préamplificateur de 40 dB pour détecter les signaux très faibles. (Source de l'image : B&K Precision)

La sortie de la sonde de champ proche est connectée à l'entrée 50 ohms de l'instrument de mesure. Il faut ensuite passer la tête de la sonde, qui est isolée, au-dessus de la carte à circuit imprimé tout en surveillant la réponse pour détecter la présence d'une source rayonnée. Les sondes magnétiques et électriques sont toutes utilisées pour vérifier la source du signal EMI rayonné.

Conclusion

Étant donné que chaque piste d'un circuit imprimé constitue une véritable antenne qui émet des EMI, il est essentiel de réaliser des tests de pré-conformité à l'aide de sondes de champ proche comme celles des kits T3NFP3 et PR262. Ces sondes peuvent aider à détecter rapidement une source d'EMI et à l'isoler afin de réduire ces EMI avant de procéder aux tests de conformité officiels, qui sont par ailleurs onéreux.