Conception du filtre EMI : calculs du filtre LC pour la conformité à la norme CISPR

Le problème des émissions conduites

Vous avez créé une alimentation à commutation qui fonctionne parfaitement sur le banc. Il régule parfaitement, l'efficacité est excellente, les performances thermiques sont solides. Ensuite, vous l'apportez au laboratoire EMC et il échoue aux émissions conduites de 15 dB à 300 kHz. Bienvenue au club.

Les émissions par conduction sont les courants sonores que votre produit renvoie sur le secteur ou les lignes d'alimentation en courant continu. Chaque convertisseur de commutation, pilote de moteur, pilote de LED et circuit numérique génère un bruit haute fréquence qui revient via le cordon d'alimentation et peut interférer avec d'autres équipements du même réseau. C'est pourquoi tous les pays du monde réglementent les émissions par conduction et pourquoi la conception de filtres EMI est une compétence essentielle pour tout ingénieur en électronique de puissance.

La bonne nouvelle : les filtres LC sont remarquablement efficaces pour supprimer les émissions conduites une fois que vous comprenez la physique. La mauvaise nouvelle : la définition des valeurs des composants et de la topologie nécessite plus de réflexion que ne le pensent la plupart des ingénieurs. Utilisez le calculateur EMI Filter LC pour effectuer rapidement des itérations sur les modèles de filtres au fur et à mesure que nous étudions les concepts.

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Comprendre les limites du CISPR

La CISPR 32 (qui a remplacé la CISPR 22) définit les limites d'émission par conduction de 150 kHz à 30 MHz. Il existe deux classes limites :

Les limites diminuent à mesure que la fréquence augmente, chutant d'environ 13 dB entre 150 kHz et 500 kHz, puis restant relativement stables de 500 kHz à 5 MHz, et diminuant encore de 10 dB entre 5 et 30 MHz.

La classe B est celle qui fait mal. Les produits de consommation, les équipements informatiques et tout ce qui est utilisé dans un environnement résidentiel doivent répondre à la classe B. C'est 13 dB de plus que la classe A dans l'ensemble. De nombreux ingénieurs conçoivent selon la classe B, même pour les produits industriels, car l'obtention de la marque de classe B ouvre de nouveaux marchés.

La sous-partie B de la partie 15 de la FCC a des limites similaires, mais utilise la méthodologie CISPR 22. Si vous réussissez la classe B de la CISPR 32, vous passerez certainement la FCC.

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Bruit en mode différentiel ou en mode commun

Il s'agit du concept le plus important en matière de conception de filtres EMI, et se tromper est la principale raison pour laquelle les filtres ne fonctionnent pas comme prévu.

Le bruit en mode différentiel (DM) circule dans des directions opposées sur la ligne et les conducteurs neutres. Cela est dû au courant pulsé consommé par le convertisseur de commutation lui-même. Un convertisseur Buck qui coupe le courant à 500 kHz produit de fortes harmoniques DM à 500 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz, etc. Le bruit en mode commun (CM) circule dans la même direction à la fois en ligne et au point mort, en revenant par le sol. Elle est causée par des capacités parasites entre les nœuds de commutation et la terre du châssis : capacité du dissipateur thermique-MOSFET, capacité d'entrelacement du transformateur et couplage parasite du PCB.

L'essentiel : Le bruit DM domine en dessous de 1 à 2 MHz, tandis que le bruit CM domine au-dessus de 2 MHz. Cette généralisation vaut pour la plupart des convertisseurs en mode commutateur et vous indique où concentrer votre effort de filtrage pour chaque fréquence.

Mesurer la division : utilisez un LISN (Line Impédance Stabilization Network) sur chaque ligne, puis calculez :$V_{DM} = (V_L - V_N)/2$et$V_{CM} = (V_L + V_N)/2$. Certains récepteurs EMC disposent d'un réseau de discrimination CM/DM qui le fait automatiquement.

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Principes fondamentaux du filtre LC

Un filtre passe-bas LC de base fournit une atténuation de 40 dB/décennie au-dessus de sa fréquence de coupure. Cela représente 12 dB par octave, soit environ 40 dB d'atténuation pour chaque décennie pendant laquelle vous dépassez la limite. La fréquence de coupure est la suivante :

§ 0§

Pour un filtre LC à étage unique, la perte d'insertion à une fréquence$f$bien supérieure à la coupure est d'environ :

§ 1§

Procédure de conception :

1. Mesurez (ou estimez) vos émissions conduites non filtrées
2. Comparez avec la limite applicable
3. Déterminer l'atténuation requise à la fréquence la plus défavorable
4. Ajoutez 6 à 10 dB de marge (les composants se dégradent, les parasites réduisent les performances)
5. Choisissez$f_c$pour fournir l'atténuation requise
6. Sélectionnez les valeurs L et C pour atteindre ce$f_c$### Exemple travaillé

Votre convertisseur Buck 100 kHz affiche 85 dB$\mu$V à 300 kHz sur le LISN. La limite de quasi-crête CISPR 32 Classe B à 300 kHz est d'environ 60 dB$\mu$V. Vous devez :Le bruit est de 300 kHz et votre fréquence de commutation est de 100 kHz. Vous voulez donc que la coupure du filtre soit bien en dessous de 300 kHz. Pour 31 dB à 300 kHz :Vous avez donc besoin d'un filtre LC avec une coupure d'environ 50 kHz. Choisissons$C = 1\,\mu$F (une valeur de condensateur de sécurité X2 standard) :

§ 5

Un inducteur en mode commun ou un inducteur en mode différentiel de 10 mH, associé à un condensateur de 1$\mu$F, vous offre le filtrage dont vous avez besoin. Vérifiez cela avec le calculateur EMI Filter LC.

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Sélection des composants pour les filtres EMI

Inducteurs

Les bobines en mode commun sont enroulées avec la ligne et le neutre sur le même noyau, avec des enroulements opposés. Le courant de charge normal (mode différentiel) s'annule dans le noyau, de sorte que l'inducteur ne sature pas sous charge. Seuls les courants de mode commun voient la pleine inductance. Valeurs typiques : 1 à 47 mH pour les filtres principaux. Matériaux de base : nanocristallin (meilleures performances en haut débit), ferrite MnZn (bonne à 1 MHz), ferrite NiZn (bonne au-dessus de 1 MHz). Les inducteurs en mode différentiel doivent transporter le courant à pleine charge sans saturer. Cela limite la valeur d'inductance pour une taille de noyau donnée. Valeurs typiques : 10-1000$\mu$H. Les noyaux de fer en poudre sont courants car ils ont une caractéristique de saturation douce.

Le hic pratique : l'impédance de l'inducteur possède une fréquence d'auto-résonance (SRF) au-dessus de laquelle le composant devient capacitif et arrête le filtrage. Vérifiez toujours que le SRF est supérieur à votre fréquence de préoccupation la plus élevée.

Condensateurs

X condensateurs passent entre la ligne et le neutre (sur le secteur). Ils suppriment le bruit en mode différentiel. Classe de sécurité X1, X2 ou X3 en fonction des exigences de tension et de surtension. Valeurs typiques : 100 nF à 2,2$\mu$F. X2 est la note la plus courante pour les produits de consommation. Les condensateurs Y passent de la ligne ou du point neutre à la terre. Ils suppriment le bruit en mode commun. Cotes de sécurité Y1, Y2, Y3, Y4 : les chiffres indiquent la résistance aux tensions de choc. Le Y2 est typique de l'électronique grand public. Les limites de courant de fuite limitent les valeurs du condensateur Y à environ 4,7 nF pour les équipements médicaux et à 10-47 nF pour les produits commerciaux. Le dépassement de ces valeurs risque d'échouer au test de sécurité par courant de contact (fuite).

Pour une analyse plus approfondie de la manière dont le blindage complète le filtrage dans le cadre d'une stratégie EMC complète, consultez le Calculateur d'efficacité du blindage des câbles.

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Topologies de filtres à plusieurs étages

Un filtre LC à étage unique donne 40 dB/décennie. Vous en avez besoin de plus ? Ajoutez un autre étage pour 80 dB/décennie :

§ 6

Topologies courantes pour les filtres EMI du secteur AC, des plus simples aux plus efficaces :

1. C seulement : condensateurs X et Y uniquement. Solution rapide, atténuation limitée. Bon pour 10 à 15 dB.
2. LC (section pi) — un inducteur + condensateurs. La topologie la plus performante. Bon pour 30 à 50 dB.
3. CLC (Pi-LC) — condensateur-inducteur-condensateur. Ajoute 20 dB supplémentaires sans trop augmenter la taille.
4. LCLC (deux étages) — deux étages d'inductance et de condensateur. Réduction de 80 dB/décennie. Utilisé lorsque vous avez besoin d'une atténuation importante.

Chaque étage supplémentaire augmente le coût des composants et l'espace sur la carte, mais augmente considérablement l'atténuation des hautes fréquences. Pour la plupart des produits, un filtre à étage unique bien conçu avec une bobine d'arrêt en mode commun, des condensateurs X et des condensateurs Y est suffisant.

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Conseils de mise en page pratiques qui font ou défont votre filtre

Gardez l'entrée et la sortie séparées. L'erreur de disposition de filtre la plus courante consiste à exécuter les traces d'entrée non filtrées à proximité des traces de sortie filtrées. Le couplage capacitif et inductif entre eux peut contourner complètement votre filtre, détruisant ainsi plus de 20 dB de performance. Condensateurs Y reliés à la terre par rapport à un point de terre à faible impédance. Les longs tracés ou fils reliant les condensateurs Y à la masse du châssis ajoutent une inductance qui réduit le filtrage en mode commun aux hautes fréquences. Utilisez des traces courtes et larges directement sur une vis de mise à la terre du châssis ou une pince à ressort. Placez le filtre au point d'entrée de l'alimentation. Le filtre doit être la première chose que le branchement secteur voit, avant toute trace de circuit imprimé susceptible de rayonner. De nombreux produits fixent le filtre sur le module d'entrée d'alimentation lui-même. Utilisez un plan de masse sous le filtre. Si le filtre EMI se trouve sur le circuit imprimé principal, un plan de masse solide situé en dessous réduit le couplage parasite et fournit un chemin de retour pour les courants de mode commun.

Le Conducted Emissions Filter Designer vous aide à modéliser des filtres à plusieurs étages et à vérifier que les valeurs de vos composants fournissent l'atténuation requise sur l'ensemble de la gamme de fréquences CISPR.

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Résumé

La conception d'un filtre EMI efficace pour la conformité des émissions par conduction suit un processus logique :

1. Bruits DM et CM séparés : ils nécessitent des composants de filtre et des topologies différents
2. Calculez l'atténuation requise à partir de vos émissions mesurées moins la limite, plus une marge de 6 à 10 dB
3. Réglez la fréquence de coupe à l'aide du$f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$pour fournir l'atténuation nécessaire à la fréquence la plus défavorable
   1. Certains composants présentant une cote de sécurité — condensateurs X pour DM, condensateurs Y pour CM, inducteurs en mode commun pour inductance CM
   2. Attention aux parasitaires : l'ESR du condensateur, l'inducteur SRF et le couplage de la configuration du circuit imprimé dégradent tous les performances du filtre dans le monde réel
   La différence entre un filtre qui fonctionne sur papier et un filtre qui fonctionne en laboratoire réside presque toujours dans la configuration et les parasites des composants. Commencez par les calculs, vérifiez à l'aide du calculateur EMI Filter LC, puis validez sur le matériel à l'aide des techniques de mesure haute fréquence appropriées.