Prévoir les émissions rayonnées avant les tests de la FCC : procédure pas à pas d'un ingénieur en PCB

La numérisation préalable à la conformité ne suffit pas à elle seule

Votre SBC de la taille d'un Raspberry Pi possède une horloge de processeur de 100 MHz, une boucle d'alimentation de 2 cm² entre le régulateur de commutation et son condensateur de masse, et un câble USB de 0,5 m pour l'interface hôte. Votre réviseur de PCB a signalé les deux lors de la révision de la conception. L'analyse préalable à la conformité a confirmé la préoccupation : les harmoniques à 300 MHz, 500 MHz et 700 MHz se situent à moins de 6 dB de la limite de classe B de la FCC partie 15 à 3 mètres.

Vous avez quatre semaines avant le test FCC prévu. Il faut trois pour faire tourner une nouvelle planche. Vous devez savoir exactement quels changements résoudront le problème et lesquels sont des efforts inutiles.

L'estimateur d'émissions rayonnées EMI modélise à la fois le rayonnement de boucle en mode différentiel (DM) et le rayonnement de câble en mode commun (CM), applique l'enveloppe spectrale d'une horloge trapézoïdale et exécute Monte Carlo sur l'incertitude de mesure pour vous donner un chiffre de rendement par rapport à la limite FCC. C'est l'analyse dont vous avez besoin.

Comprendre les deux mécanismes de rayonnement

Les émissions rayonnées des PCB numériques proviennent de deux mécanismes physiquement distincts, et la correction de l'un ne fait rien pour l'autre.

Le rayonnement en mode différentiel provient de courants circulant en boucles fermées sur le circuit imprimé, généralement la boucle d'alimentation du régulateur de commutation, le chemin de retour du condensateur de découplage ou une trace de signal à haute vitesse associée à son retour. Le champ d'une petite boucle prend la forme « MATHINLINE_1 » dans le champ proche, mais passe à « MATHINLINE_2 » dans le champ éloigné. La FCC mesure à 3 m, fermement dans le champ lointain pour les fréquences supérieures à environ 16 MHz.

Le champ électrique d'une petite boucle DM à la distance « MATHINLINE_3 » est d'environ :

« MATHBLOCK_0 »

où « MATHINLINE_4 » est en Hz, « MATHINLINE_5 » est le courant de boucle en ampères et « MATHINLINE_6 » est la surface de la boucle en m².

Le rayonnement en mode commun provient de courants circulant dans la même direction sur un câble (pas de retour différentiel). Même des courants CM de microampères sur un câble d'un demi-mètre créent des antennes efficaces à des fréquences où la longueur du câble approche λ/4. Un câble de 0,5 m résonne à près de 150 MHz, soit exactement dans la plage des harmoniques d'horloge de 100 MHz.

Analyse de base : conception du problème

Entrez les informations suivantes dans l'estimateur des émissions rayonnées par les interférences électromagnétiques :

L'outil génère l'enveloppe spectrale de l'horloge de 100 MHz avec un temps de montée de 1 ns. Une forme d'onde trapézoïdale possède une enveloppe spectrale qui s'étend à 20 dB/décennie au-dessus de « MATHINLINE_7 », soit environ 318 MHz pour un temps de montée de 1 ns. En dessous de cette fréquence angulaire, les harmoniques impaires (100, 300, 500, 700 MHz...) tombent sur une enveloppe relativement plate. Au-dessus, les harmoniques chutent rapidement.

À l'aide des données de référence, l'outil indique :

• 300 MHz (3e harmonique) : Estimation DM 42 dBµV/m, estimation CM 48 dBµV/m, limite de classe B de la FCC 40 dBµV/m. CM dépasse la limite de 8 dB.
• 500 MHz (5e harmonique) : Estimation DM 35 dBµV/m, estimation CM 44 dBµV/m, limite FCC 47 dBµV/m. CM est inférieur de 3 dB, mais le résultat de Monte Carlo au 95e centile dépasse la limite.
• 700 MHz (7e harmonique) : Les deux sources se situent en dessous de la limite de 47 dBµV/m.

Le courant du câble CM est le problème dominant à 300 MHz et plus. Cela correspond parfaitement au modèle de scan de pré-conformité.

Pourquoi le câble USB domine aux hautes fréquences

À 100 MHz, un câble de 0,5 m correspond à λ/6. Pas efficace. À 300 MHz, c'est λ/2, un dipôle demi-onde. Pics d'efficacité radiologique. À 500 MHz, le câble est en pleine onde, l'efficacité baisse légèrement, mais un courant CM de 5 µA est encore suffisant pour se rapprocher de la limite.

La boucle DM à 2 cm² n'est pas négligeable, mais la dépendance « MATHINLINE_8 » dans l'équation de champ va à l'encontre de celle-ci : même si elle contribue fortement aux faibles harmoniques, la petite surface la limite. Le câble, agissant comme une antenne CM, n'a pas la même limitation de surface : il rayonne sous la forme d'un dipôle, qui évolue beaucoup plus favorablement.

C'est pourquoi l'ajout de condensateurs de découplage à lui seul ne résoudra pas ce problème. Le découplage réduit les courants de boucle DM. Le courant CM du câble USB provient d'un couplage parasite entre la tension de bruit en mode commun de la carte et le blindage du câble ou la référence de terre. Vous avez besoin d'une bobine CM sur les lignes USB.

La solution : trois changements ciblés

Mettez à jour les entrées de l'outil pour refléter les modifications de conception proposées :

Recommencez avec 100 000 essais de Monte-Carlo. Résultats :

• 300 MHz : DM 33 dBµV/m, CM 28 dBµV/m, 95e percentile 36 dBµV/m contre limite de 40 dBµV/m. Marge de 4 dB.
• 500 MHz : DM 22 dBµV/m, CM 24 dBµV/m, 95e percentile 30 dBµV/m contre limite de 47 dBµV/m. Marge de 17 dB.
• 700 MHz : Les deux sources sont bien en deçà de la limite.

Le rendement (fraction des essais MC inférieure à la limite FCC pour toutes les harmoniques) passe de 34 % à 98 %.

Notes de mise en œuvre

Pour resserrer la boucle d'alimentation de 2 cm² à 0,5 cm², il faut déplacer le condensateur d'entrée de masse du régulateur de commutation aussi près que possible des broches V_in et GND, avec un chemin de retour court et large. Réduire la surface de la boucle de 4 fois réduit l'intensité du champ DM de 4 fois (linéaire, 12 dB), et non de 16 fois : la surface apparaît de manière linéaire dans l'équation de champ, et non au carré. La bobine CM doit être placée sur les lignes USB à proximité du connecteur, du côté du circuit imprimé, et non du côté du câble. Une impédance CM de 90 Ω à 100 MHz est suffisante. Des composants tels que le TDK ACM2012 ou le Wurth 742792090 sont des choix courants. Un composant, inséré en série, réduit le courant CM de 14 dB dans ce scénario. Le ralentissement du temps de montée de 1 ns à 5 ns déplace la zone de réduction spectrale de 318 MHz à 64 MHz. L'harmonique de 300 MHz, qui se trouvait auparavant sur la partie plate du spectre, se situe maintenant sur la pente de −20 dB/décennie et est atténuée d'environ 14 dB. Une résistance série de 22 Ω dans le réseau d'horloge ne coûte rien en termes de nomenclature ou de zone de carte.

Les trois modifications peuvent être mises en œuvre grâce à une nouvelle configuration du circuit imprimé et à l'ajout d'un composant. Aucune nouvelle rotation matérielle de la section du processeur n'est nécessaire.

[Estimateur des émissions rayonnées par les interférences électromagnétiques] (/tools/emi-radiated)