Introduction aux mesures EMI et CEM des alimentations – 1re partie : EMI conduites

Les dispositifs électroniques sont impliqués dans presque tous les aspects de la vie, et leur prolifération soulève la question de savoir dans quelle mesure ils interfèrent les uns avec les autres. La compatibilité électromagnétique (CEM) et les interférences électromagnétiques (EMI) sont des mesures que nous utilisons pour déterminer si les dispositifs et les systèmes électroniques fonctionnent bien ensemble.

Les mesures EMI quantifient l'efficacité d'un dispositif à limiter les interférences avec d'autres dispositifs ou systèmes. À l'inverse, les mesures CEM quantifient l'impact des systèmes externes sur le fonctionnement d'un dispositif électronique testé.

De nombreuses normes nationales et internationales ont été établies pour minimiser les interférences et assurer la compatibilité de tous les dispositifs et systèmes électroniques. Ces organismes de normalisation incluent le Comité international spécial des perturbations radioélectriques (CISPR), la Commission électrotechnique internationale (CEI), l'Organisation internationale de normalisation (ISO), la Society of Automotive Engineers (SAE), la Commission fédérale des communications (FCC) et plusieurs autres organisations.

Les tests d'acceptation dans le domaine de l'électronique sont un rite de passage pour tous les fabricants, et les concepteurs doivent connaître les types de tests et les limites de spécification avant de commencer toute conception. De même, les ingénieurs et techniciens de développement doivent être en mesure de réaliser des tests de pré-conformité afin de minimiser les retards inattendus dans l'acceptation et le lancement des produits.

La conception de l'alimentation du point de vue des EMI entraîne de nombreux défis pour l'ingénieur de conception. Les interférences peuvent se propager depuis l'alimentation via le rayonnement dans l'air (interférences rayonnées) ou passer par le câblage du dispositif (interférences conduites). Les normes de test ont des mesures pour les deux types d'interférences. Le reste de cette publication traite des EMI conduites.

Test des EMI conduites

Les interférences conduites par une alimentation proviennent du flux de courant discontinu dans un dispositif d'alimentation à découpage. Les interférences conduites sont divisées en deux composants : les signaux de mode commun et les signaux différentiels (Figure 1). Notez que les signaux de mode commun circulent dans la même direction dans les lignes entre la source d'alimentation et le dispositif testé (DUT), dans le cas présent, une alimentation. La ligne de terre fournit le trajet retour nécessaire. Les signaux différentiels se déplacent dans des directions opposées.

Figure 1 : Les EMI conduites incluent des composants de mode commun et différentiels en fonction de la direction du flux de signaux entre le dispositif testé et la source d'alimentation. (Source de l'image : Art Pini)

Le test des émissions conduites requiert l'utilisation d'un réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN) installé entre la source d'alimentation et le dispositif testé (Figure 2).

Figure 2 : Exemple d'un réseau de stabilisation d'impédance de ligne placé entre la source d'alimentation (ligne, L, et neutre, N) et l'alimentation testée. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le réseau LISN est en fait un filtre passe-bas inséré en série avec la source d'alimentation. Son but est d'assurer une impédance de source stable et connue sur la gamme de fréquences testée. Il assure également l'isolement entre la source d'alimentation/le dispositif testé/l'appareil de mesure et la source d'alimentation d'entrée. Notez qu'il fournit aussi une connexion pour les instruments de mesure, généralement un analyseur de spectre ou un récepteur EMI, à des niveaux d'amplitude sûrs.

La carte de gestion de l'alimentation d'analyseur de spectre DC2130A d'Analog Devices est un réseau LISN double. Une section de la carte d'évaluation fournit 10 décibels (dB) d'atténuation sur une gamme de fréquences allant jusqu'à 800 mégahertz (MHz) pour le port de mesure. L'autre section fournit 30 dB de gain pour amplifier les faibles signaux EMI sur une gamme de fréquences allant de 10 MHz à 2,5 gigahertz (GHz). Chaque section peut être utilisée indépendamment ou les deux peuvent être combinées (Figure 3).

Figure 3 : Configuration de la carte DC2130A à l'aide des réseaux LISN de -10 dB et +30 dB pour l'isolement de mode commun. L'alimentation/la batterie alimente l'amplificateur +30 dB. (Source de l'image : Analog Devices)

L'atténuation des EMI conduites sur une conception existante implique généralement l'ajout d'un filtre EMI entre la source d'alimentation et l'entrée d'alimentation du dispositif testé. Les dernières conceptions de convertisseurs CC/CC incluent des filtres EMI actifs embarqués, qui offrent une réduction supérieure des EMI dans une zone physique plus petite que les filtres à composants discrets.

Un exemple de ce type de filtre actif est intégré à la carte d'évaluation LM25149-Q1EVM-2100 de Texas Instruments (Figure 4). Cette carte utilise le convertisseur abaisseur synchrone LM25149-QI avec un filtre EMI actif. Le convertisseur dispose également d'une modulation à spectre étalé, dont la fréquence module l'horloge de commutation pour distribuer les EMI sur une gamme de fréquences, réduisant ainsi les amplitudes de crête.

Figure 4 : La carte d'évaluation LM25149-Q1EVM-2100 utilise un filtre EMI actif, ainsi qu'une modulation à spectre étalé. Cette dernière répartit les EMI sur une gamme de fréquences pour réduire les amplitudes de crête. (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour cette carte d'évaluation, l'efficacité de ces techniques peut être démontrée dans un test des émissions conduites CISPR 25 de classe 5 comparant les EMI conduites sans fonction d'atténuation et les EMI conduites avec filtre EMI actif et commutation à spectre étalé (Figure 5). Les tests utilisent des tracés spectraux de l'amplitude EMI en dB par rapport à la fréquence.

Figure 5 : Tracés des émissions conduites CISPR 25 de classe 5 comparant les niveaux EMI entre les opérations sans atténuation EMI (a) et les niveaux EMI avec le filtre EMI actif et le spectre étalé activés (b). (Source de l'image : Texas Instruments)

Les lignes rouges horizontales marquent les niveaux de test moyens et de crête pour les EMI conduites en vue de la certification CISPR 25 de classe 5. Le spectre de crête mesuré, représenté en jaune (sans atténuation) est à peu près égal à la limite de test de crête à la fréquence de commutation de 2,1 MHz, dépassant ainsi la limite de test moyenne. Avec le filtrage EMI et la commutation à spectre étalé, les deux crêtes sont bien en dessous des limites de test.

Conclusion

L'omniprésence des dispositifs électroniques rend les tests EMI et CEM et l'atténuation de plus en plus importants, mais il s'agit d'un processus complexe. Il existe toutefois quelques principes de base. Comme indiqué ici, les tests liés aux EMI conduites nécessitent une source d'alimentation, des réseaux LISN et un analyseur de spectre ou un récepteur EMI. La 2e partie de cette série traitera des tests liés aux EMI rayonnées.