Prévoir les émissions rayonnées avant d'échouer au test

Pourquoi s'embêter à faire des estimations devant la Chambre ?

Les tests CEM sont coûteux. Une seule journée dans une chambre anéchoïque entièrement conforme coûte entre 2 000 et 4 000 dollars selon l'endroit où vous vous trouvez, sans compter le temps consacré à l'ingénierie, les déplacements et l'inévitable « nous devons revenir la semaine prochaine » en cas de panne. La plupart des ingénieurs traitent les émissions rayonnées comme une boîte noire jusqu'à ce qu'ils soient confrontés à un graphique défaillant, mais il n'est pas nécessaire qu'il en soit ainsi.

La physique des émissions rayonnées par les boucles de courant des PCB est bien connue. Si vous connaissez le courant de boucle, la surface de la boucle et la fréquence, vous pouvez estimer le champ électrique à une distance donnée avec une précision raisonnable. « Raisonnable » signifie ici entre 6 et 10 dB de la réalité pour les géométries simples. Ce n'est pas parfait, mais suffisant pour vous dire si vous allez réussir confortablement, échouer de façon spectaculaire ou atterrir dans une zone grise inconfortable où des ajustements de mise en page pourraient vous faire économiser.

Le modèle sous-jacent

Une petite boucle de courant agit comme un dipôle magnétique. À des distances bien supérieures à une longueur d'onde, le champ électrique rayonné par une telle boucle est :

où $E$ est le champ électrique en µV/m,$I $ est le courant de boucle de crête en ampères,$A $ est la surface de la boucle en m²,$f $ est la fréquence en MHz et$r$ est la distance de mesure en mètres. Cette formule suppose des conditions de champ lointain et une boucle électriquement petite par rapport à la longueur d'onde.

Le terme $f^2$ est le tueur. Doublez votre fréquence, quadruplez vos émissions. C'est pourquoi les conceptions numériques à haute vitesse avec des bords rapides (beaucoup de contenu harmonique) ont tendance à échouer à des fréquences bien supérieures à la fréquence d'horloge fondamentale.

La CISPR 22 Classe B (aujourd'hui CISPR 32, mais tout le monde l'appelle toujours Classe B) spécifie des limites à 10 mètres. À 30 MHz, la limite est de 30 dBµV/m ; elle s'élève à 37 dBµV/m au-dessus de 230 MHz et y reste jusqu'à 1 GHz. Il ne s'agit pas de chiffres arbitraires, mais de ce que les organismes de réglementation ont jugé acceptable pour les environnements résidentiels. Si vous les ratez de 3 dB, vous vous sentirez probablement bien après quelques filtrages. Si vous les ratez de 15 dB, vous êtes en train de redessiner la carte.

Un exemple concret : distribution d'horloge à 100 MHz

Supposons que vous ayez une horloge de 100 MHz acheminée sur la couche interne d'une carte à 4 couches. Le signal parcourt 25 mm (0,025 m) avant d'atteindre un circuit intégré tampon, et le chemin de retour se trouve sur un plan de masse adjacent. Avec une épaisseur diélectrique de 0,2 mm, la surface de la boucle est approximativement de :

Cela fait 5 mm², c'est assez petit, ce qui est bien. Supposons maintenant que le signal d'horloge oscille entre 3,3 V et une charge de 50 Ω, ce qui donne un courant de pointe de 66 mA (0,066 A). À la troisième harmonique (300 MHz, où les limites du CISPR se resserrent), le champ estimé à 10 m est :

Conversion en dBµV/m :$20 \\log_{10}(0.391) = -8.2$ dBµV/m.

La limite CISPR 22 Classe B à 300 MHz est de 37 dBµV/m. Votre marge est confortable de 45 dB. Vous allez bien, du moins dans cette boucle en particulier.

Mais c'est là que ça devient intéressant. Et si le chemin de retour ne se trouve pas directement sous la trace ? Supposons qu'il y ait une fissure dans le plan de masse et que le courant de retour doive contourner celle-ci, créant ainsi une zone de boucle de 200 mm² au lieu de 5 mm². C'est 40 fois plus grand.

Ça passe toujours, mais votre marge vient de chuter à 13 dB. Ajoutez quelques boucles supplémentaires comme celle-ci, tenez compte du rayonnement des câbles et vous transpirez soudainement.

Ouvrez le calculateur d'estimation des émissions rayonnées pour générer vos propres chiffres.

Quand ce modèle fonctionne (et quand il ne fonctionne pas)

L'approximation de la petite boucle fonctionne bien lorsque le périmètre de la boucle est inférieur à environ λ/10. À 300 MHz, cela fait 10 cm. La plupart des structures de circuits imprimés sont éligibles. Cela suppose également que vous mesurez dans le champ lointain, qui à 300 MHz commence à environ 1,5 mètre. La distance CISPR de 10 mètres se situe solidement en territoire éloigné.

Le modèle convient aux structures distribuées telles que les longs câbles, les antennes à fentes (espaces dans les plans de masse) et tout ce dont la distribution du courant n'est pas uniforme. Il ignore également les reflets provenant du sol de la chambre et du métal à proximité : l'environnement de test réel est plus compliqué que l'espace libre.

Ne vous attendez pas à ce que cette estimation corresponde exactement aux résultats de votre chambre. Attendez-vous à ce que cela vous place sur la bonne voie. Si le calculateur indique que vous avez une marge de 3 dB, considérez cela comme « probablement un échec ». S'il indique que vous avez une marge de 25 dB, vous pouvez vous détendre un peu.

Erreurs et pièges courants

Oublier les harmoniques

Une horloge de 50 MHz ne rayonne pas uniquement à 50 MHz. S'il possède des bords rapides, comme le font la plupart des horloges CMOS, avec des temps de montée inférieurs à 1 ns, il possède un contenu harmonique significatif jusqu'à 300 MHz et au-delà. Les troisième, cinquième et septième harmoniques posent souvent plus de problèmes que les harmoniques fondamentales à cause de ce terme $f^2$. Vérifiez toujours les harmoniques, pas seulement la fréquence de l'horloge.

Sous-estimation de la surface de la boucle

Les ingénieurs supposent régulièrement que le courant de retour passe directement sous la trace du signal. C'est généralement le cas, si vous avez un plan de référence continu. Mais les vias qui commutent les couches de référence, les divisions en plans et les connecteurs dont les broches de masse sont inadéquates obligent le courant de retour à emprunter des trajets plus longs. La surface réelle de la boucle peut être 10 fois ou 100 fois supérieure à ce que vous calculez naïvement.

Utiliser le courant RMS au lieu du pic

La formule veut un courant de pointe, pas un RMS. Pour un signal sinusoïdal, le pic est de √ 2 fois RMS. Pour une onde carrée, le pic est égal à l'amplitude. Si vous vous trompez, vous obtenez une erreur de 3 dB, ce qui n'est pas catastrophique, mais cela s'additionne.

Ignorer le rayonnement des câbles

Votre circuit imprimé est peut-être propre, mais les câbles qui y sont connectés ne le sont souvent pas. Un câble USB de 1 mètre avec même quelques milliampères de courant en mode commun est une antenne bien plus efficace que n'importe quelle trace sur votre carte. Ce calculateur se concentre sur le rayonnement en boucle, ce qui est utile pour les décisions de conception des circuits imprimés, mais n'oubliez pas que les câbles dominent souvent lors du test final.

En supposant que les résultats varient de 10 mètres à 3 mètres

Certains centres d'essai utilisent des distances de 3 mètres pour la pré-conformité. L'échelle du champ est de 1/r en champ lointain, de sorte que les résultats à 3 mètres sont supérieurs d'environ 10 dB aux résultats à 10 mètres. Mais les limites du CISPR sont spécifiées à 10 mètres et le facteur de corrélation n'est pas exactement de 10 dB en raison des effets de champ proche aux basses fréquences. Soyez prudent lorsque vous comparez.

Implications pratiques en matière de conception

Une fois que vous avez effectué quelques estimations, des modèles apparaissent. Réduire la surface de la boucle est presque toujours la solution la plus efficace. Il s'agit d'une relation linéaire, donc réduire la surface de moitié réduit les émissions de moitié. La réduction du courant est également utile, mais vous ne pouvez souvent pas changer cela sans affecter le fonctionnement du circuit.

Le ralentissement des arêtes réduit le contenu harmonique, ce qui est utile aux hautes fréquences. Un temps de montée de 10 ns au lieu de 1 ns réduit considérablement l'énergie au-dessus de 100 MHz. Les résistances en série sur les lignes d'horloge, les billes de ferrite ou le simple fait de choisir des familles logiques plus lentes fonctionnent toutes.

Le blindage et le filtrage sont des solutions de dernier recours. Ils fonctionnent, mais ils coûtent de l'argent et de l'espace de travail. Il est presque toujours moins coûteux de régler le problème à la source.

Philosophie de la marge

De quelle marge avez-vous besoin ? La réponse honnête est « plus que vous ne le pensez ». Les produits réels ont de multiples sources d'émission qui s'ajoutent (parfois de manière cohérente), une incertitude de mesure de ±3 dB et des variations de production. Une conception qui passe avec une marge de 2 dB en laboratoire comportera des unités qui échoueront en production.

Je vise généralement une marge minimale de 6 dB pour chaque source individuelle, et 10 dB si possible. Si la calculatrice indique que vous avez atteint la limite, ce n'est pas « dépassé », mais « cela échouera probablement une fois que vous aurez ajouté l'alimentation, l'écran et le module Bluetooth ».

Essayez-le

Prenez votre schéma, identifiez vos signaux de commutation à la fréquence la plus élevée, estimez les zones de boucle et ouvrez le calculateur d'estimation des émissions rayonnées. Exécutez les nombres correspondant à la fondamentale et au moins aux troisième et cinquième harmoniques. Si vous vous trouvez à moins de 10 dB de la limite de l'une d'entre elles, c'est le signal pour examiner de plus près la disposition avant de dépenser de l'argent en temps de chambre.

Cela prend cinq minutes et peut vous faire gagner une semaine de débogage.