Les transitions rapides de tension et de courant inhérentes aux convertisseurs de puissance modernes génèrent du bruit à haute fréquence qui peut se propager à travers des voies conduites et des voies irradiées. La gauche non gérée, cette interférence dégrade l'efficacité du système, provoque un comportement erratique dans les circuits voisins et peut conduire à la non-conformité aux normes réglementaires comme la partie 15 de FAC ou la CISPR 32. La réduction réussie de l'IMI nécessite une approche systématique de la topologie des circuits, la disposition des PCB, la sélection des composants et la conception du filtrage.

Comprendre l'interférence électromagnétique dans la conversion de puissance

Dans les convertisseurs AC-DC, les sources primaires d'IMI sont les éléments de commutation, généralement MOSFET ou IGBT, et les diodes de rectification fonctionnant à des fréquences allant de dizaines à des centaines de kilohertz. Les bords de commutation brusques créent des di/dt élevés (taux de fuite de courant) et des dv/dt élevés (taux de fuite de tension) qui excitent les inductances parasitaires et les capacités dans la disposition du circuit, générant des spectres sonores harmoniques et harmoniques.

L'IMI est généralement catégorisé en deux types : l'IMI , qui se déplace le long des lignes électriques et des interconnexions, et l'IMI , qui se propage dans l'espace comme champs électromagnétiques. Les émissions produites dominent généralement dans la gamme de fréquences de 150 kHz à 30 MHz, tandis que les émissions apparentes deviennent significatives au-dessus de 30 MHz jusqu'à plusieurs centaines de MHz.

Un autre aspect critique est la distinction entre le bruit en mode commun et en mode différent . Le bruit DM circule entre les lignes électriques dans des directions opposées, tandis que le bruit CM circule également sur toutes les lignes et retourne par terre. Le bruit CM est particulièrement gênant parce qu'il est plus difficile à filtrer et souvent s'allie à des câbles extérieurs, où il rayonne efficacement.

Par exemple, la norme de la catégorie B de FAC pour les équipements résidentiels impose des limites d'émissions de 250 μV (48 dBμV) quasi-hautes de 0,15 à 0,5 MHz, en diminuant à 47 dBμV de 30 à 88 MHz pour les émissions apparentes. CISPR 22/32 suit des courbes semblables. Pour atteindre la conformité, il faut une approche proactive de conception plutôt qu'une fixation de dernière minute. IEEE fournit une documentation exhaustive sur la modélisation et la mesure de l'IMI, qui est une ressource précieuse pour les ingénieurs.

Stratégies clés pour la réduction de l'IME

1. Mise en place et mise à la terre des PCB

La mise en page des PCB est la décision la plus pertinente qu'un ingénieur prenne concernant l'IME. Une mauvaise mise en page peut rendre inefficace la meilleure conception de filtre. L'optimisation de la mise en page a pour but de minimiser les zones de boucle, de contrôler les chemins de retour et d'isoler les composants bruyants.

Utilisez un plan de sol solide. Un plan de sol continu sur une couche interne fournit un chemin de retour à faible inductance pour les courants à haute fréquence. Évitez de diviser le plan à moins que cela ne soit absolument nécessaire; si des divisions sont nécessaires, faites passer les signaux de l'écart avec un soin extrême ou utilisez des condensateurs de couture. ]Les appareils analogiques offrent un excellent article technique sur les pratiques de mise à la terre pour les systèmes à faible bruit.

Minimiser les zones de boucles à courant élevé. Le convertisseur AC-DC contient plusieurs boucles critiques : la boucle de redresseur d'entrée, la boucle de commutation primaire (transformateur primaire, MOSFET, condensateur de bus DC) et la boucle de redresseur secondaire. Chaque boucle doit être aussi serrée que possible. Placer le condensateur de filtre d'entrée et le condensateur de stockage en vrac près du noeud de l'interrupteur.

Séparez les circuits bruyants et sensibles. Gardez les composants de commutation côté primaire physiquement isolés des circuits de commande côté secondaire et des connecteurs de sortie. Utilisez une région sol « propre » pour les composants analogiques sensibles et une région sol « sale » pour les phases de puissance, les reliant à un seul point (à la mise à la terre des étoiles) ou à travers une perle ferrite.

Placement du composant Placer le condensateur d'entrée, MOSFET, et le transformateur dans un triangle serré. Le chemin de retour de la source MOSFET au terminal négatif du condensateur doit être court et large. Éviter de faire suivre les traces de signaux sensibles près du noyau du transformateur ou des nœuds de commutation à haute fréquence.

Shielding. Pour les émissions apparentes, un boîtier en métal mis à la terre (acier étagé ou aluminium) fournit un blindage efficace. S'assurer que toutes les coutures et ouvertures sont plus petites que la longueur d'onde la plus courte (généralement < 1 cm for >3 GHz). Les joints et les bandes conductrices peuvent sceller les trous.Les écrans à niveau de PCB (canaux) sur la zone de commutation primaire réduisent davantage le rayonnement. Mouser Electronics fournit un guide complet sur les matériaux et applications de blindage.

2. Circuits de filtration et de snubber

Peu importe la propreté de la disposition, certains EMI resteront. Filtrage et snobs sont la deuxième ligne de défense.

Filtres EMI d'entrée. Un filtre à ligne à l'entrée CA est obligatoire pour la conformité. Un filtre typique est constitué d'un amortisseur à mode commun (CMC) et de condensateurs X/Y. Le CMC présente une forte impédance aux courants à mode commun tout en permettant aux courants DM de passer. Placez le CMC aussi près que possible de l'entrée AC, avec le condensateur X (à travers la ligne) et les condensateurs Y (ligne à terre) de chaque côté. Le filtre doit être conçu avec un rejet DM et CM à l'esprit. Utilisez la fréquence de coupure du filtre bien au-dessous de la valeur fondamentale de commutation (p. ex., 10–50 kHz) pour fournir une atténuation adéquate à la fréquence de commutation et à ses harmoniques. Texas Instruments offre une note d'application détaillée sur la conception du filtre d'entrée pour les convertisseurs AC-DC.

]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][Filtre de filtrage pour empêcher le bruit d'ondulation et de haute fréquence d'atteindre la charge.

Les circuits de snubber.] Les snubbers amortisseurs de sonneries causés par des résonances parasitaires. Le snubber RC classique à travers la source de drain MOSFET primaire ou à travers la diode de redresseur secondaire absorbe l'énergie de la résonance, réduisant à la fois le dépassement de tension et l'EMI. La valeur de résistance est choisie pour correspondre à l'impédance caractéristique du circuit de snubber, généralement entre 10 γ et 100 ↓, avec une puissance nominale pour manipuler l'énergie dissipée. Un autre type est le snubber RCD, qui serre la tension maximale et recycle une certaine énergie.

Piles de ferritePiles de ferrite (chocs de ferrite) placées sur les lignes d'entraînement de porte, traces de rétroaction et conduits de sortie agissent comme filtres à passe basse. Leur impédance augmente avec la fréquence, atténuant efficacement le bruit sans dissiper la puissance de courant continu. Choisissez des billes à forte impédance à la fréquence de bruit cible (p. ex. 100 MHz pour les émissions apparentes).

3. Fréquence de commutation et techniques de modulation

Les fréquences inférieures produisent des harmoniques à plus faible amplitude mais nécessitent des transformateurs et des condensateurs plus grands. La meilleure approche est de sélectionner une fréquence qui équilibre l'efficacité, la taille et l'IME. De nombreux contrôleurs modernes permettent la dilution de fréquence (modulation par spectre répandu) pour étendre l'énergie sur une bande de fréquences plus large, réduisant ainsi les niveaux d'émission de pointe de 6 à 10 dB. Cette technique est très efficace pour l'IMI dirigé dans la gamme 150 kHz–30 MHz. La vitesse de dilution devrait être comprise entre 100 Hz et 10 kHz pour éviter le bruit sonore.

Une autre technique puissante est la commutation de la machine [, en particulier la commutation à zéro tension (ZVS) et la commutation à zéro courant (ZCS). Dans les topologies résonantes ou quasi résonantes (p. ex., convertisseurs de résonance LLC, flyback quasi résonant), la commande s'allume lorsque la tension de la source de drain est proche de zéro, réduisant de façon spectaculaire la tension dv/dt et l'IME associé. La commutation de la machine à Soft améliore également l'efficacité en réduisant les pertes de commutation.

4. Sélection des composantes pour l'IME inférieur

Choisir les bons composants peut prévenir de nombreux problèmes EMI. Les domaines clés sont les suivants :

  • ] Sélectionnez les MOSFET avec une faible charge de porte et une faible capacité de sortie pour réduire les pertes de commutation, mais aussi tenir compte de la vitesse de commutation de l'appareil. Les MOSFETs à commutation plus lente (résistance à la porte plus élevée) produisent des sonneries plus basses en dv/dt et moins. Certains fournisseurs offrent des dispositifs « cool-mos » ou « superjunction » avec des compromis optimisés.
  • Diodes de tectificateur Les diodes de récupération rapide en silicium standard ont un courant de récupération inverse élevé qui génère des pics et du bruit. Remplacez-les par des diodes scotky dans des sorties à basse tension (en raison de leur récupération inverse négligeable) ou par des diodes de carbure de silicium (SiC) dans des rectifications primaires à haute tension.
  • Transformateurs Le transformateur est une source majeure d'EMI dirigé et irradié. Utilisez un transformateur bien construit avec un blindage Faraday entre les enroulements primaires et secondaires pour réduire le couplage capacitif du bruit CM. Le bouclier (une couche de feuille de cuivre reliée au sol primaire) intercepte les courants de déplacement qui, autrement, se déverseraient dans la capacité inter-enroulement. De plus, assurez-vous que le cœur du transformateur est bien espacé (si nécessaire) et que la technique de remontage minimise l'inductance des fuites.
  • Capacitateurs En plus d'utiliser des condensateurs céramiques à faible ESR/ESL pour le découplage à haute fréquence, considérez le type diélectrique. Les céramiques X7R et C0G (NP0) ont une meilleure stabilité de température et un coefficient de tension inférieur à Y5V, ce qui les rend plus efficaces en tant que condensateurs de filtre et de snubber.

Techniques d'atténuation avancées de l'IME

Lorsque les méthodes standard sont insuffisantes, les techniques avancées peuvent fournir la marge finale nécessaire pour la conformité.

]Les filtres actifs détectent le bruit de CM ou DM et injectent un signal d'annulation par un amplificateur de rétroaction. Ces filtres peuvent atteindre une forte atténuation dans une petite empreinte, en particulier pour les émissions à basse fréquence conduites (au-dessous de 1 MHz).Ils sont de plus en plus intégrés dans les IC de puissance ou disponibles en modules autonomes.

Le remplacement des transformateurs classiques à fils par des modèles planaires (en utilisant des traces de BPC comme enroulements) réduit considérablement l'inductance des fuites et la capacité parasitaire.

Les boîtes de transport et les joints d'étanchéité Pour les émissions apparentes, une boîte de transport métallique soudée sur la zone de commutation primaire avec coupures pour le débit d'air peut atténuer les émissions de 20 dB ou plus. Combiner avec des joints de mousse conductrice aux coutures de l'enceinte pour assurer une continuité électrique faible en impédance.

Génération d'horloges spectre de spread (SSCG) Si le convertisseur de puissance utilise un régulateur PWM à fréquence fixe, vérifiez s'il existe une variante spread-spectrum. Certains contrôleurs offrent une fonction de jitter avec une modulation de ±5% de la fréquence de commutation. Cette technique est particulièrement efficace pour réduire les émissions de crête au fondamental et à ses harmoniques.

Essais et conformité

Les essais préalables à la conformité effectués à l'aide d'un analyseur de spectre et d'un réseau de stabilisation de l'impédance de ligne (LISN) permettent aux concepteurs d'identifier rapidement les fréquences problématiques. Mesurer les émissions effectuées (en utilisant le LISN à l'entrée AC) et les émissions irradiées (en utilisant une antenne à large bande dans une chambre semi-anéchoïque ou même une sonde à champ proche pour le diagnostic initial). Comparer les résultats par rapport aux limites de la norme cible.

Rappelez-vous que la charge de l'alimentation électrique affecte l'IME. Essai à pleine charge, charge légère et charge moyenne. Certains convertisseurs présentent une charge légère plus mauvaise en raison du fonctionnement en mode éclatement (qui crée des éclatements de commutation à basse fréquence). Si cela se produit, envisager de désactiver le mode éclatement ou ajouter une petite charge nominale pour maintenir le convertisseur en mode conduction continue.

En appliquant les stratégies décrites ici – mise en page des PCB méticuleuse, filtrage robuste, choix de composants intelligents et utilisation réfléchie des techniques de modulation – les ingénieurs peuvent réduire de façon significative les interférences électromagnétiques. Il en résulte une alimentation qui fonctionne de façon fiable dans les systèmes électroniques sensibles et qui répond aux exigences réglementaires mondiales sans refonte coûteuse.