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EMC

Impédance d'arrêt en mode commun

Calculez l'impédance d'arrêt en mode commun, la perte d'insertion et le facteur Q à n'importe quelle fréquence. Concevez des filtres CEM conformes à la norme CISPR 25 en matière d'émissions conduites.

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Formule

Z=2π×f×L,IL=20⋅log10(∣100Ω+RDC+jZ∣/100Ω)(50Ωsource,50Ωload,CISPR17)Z = 2π × f × L, IL = 20·log₁₀(|100 Ω + R_DC + jZ| / 100 Ω) (50 Ω source, 50 Ω load, CISPR 17)

Référence: CISPR 17; Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd ed.

L— Inductance (H)
f— Fréquence (Hz)

Comment ça marche

Le calculateur d'inducteur en mode commun calcule l'impédance et la perte d'insertion pour le filtrage des signaux différentiels et des lignes électriques, ce qui est essentiel pour la conformité aux normes CISPR 32 en matière d'émissions conduites, la compatibilité électromagnétique USB/Ethernet et la conception du filtre secteur. Les ingénieurs EMC l'utilisent pour obtenir une atténuation en mode commun de 20 à 40 dB tout en transmettant des signaux différentiels avec une perte inférieure à 1 dB.

Selon « EMC Engineering » d'Henry Ott, un CMC est un inducteur à double enroulement dans lequel des courants différentiels (amplitude égale, direction opposée) produisent un flux magnétique annulateur, présentant une impédance proche de zéro par rapport au signal utile. Les courants en mode commun (même direction sur les deux conducteurs) correspondent à l'inductance L complète, présentant une impédance Z_CM = 2 x pi x f x L. Une CMC de 1 mH fournit une impédance de 942 ohms à 150 kHz (limite inférieure CISPR).

Ce calculateur donne la perte d'insertion dans le système d'essai de la CISPR 17, avec une source de 50 ohms et une charge de 50 ohms : la self en série ajoute son impédance Z = DCR + j x 2 x pi x f x L à la boucle de 100 ohms, donc IL = 20 x log10(|100 + DCR + jX| / 100). La réactance s'ajoute à la résistance de la boucle en phaseur, et non arithmétiquement : X = 100 ohms donne 3,01 dB, et la réactance de 942 ohms d'une self de 1 mH à 150 kHz donne 19,5 dB. Dans un produit, la source et la charge sont un RSIL (LISN) et l'impédance de mode commun du câble ; l'atténuation en circuit diffère donc de cette valeur. Le CISPR 32 Classe B nécessite généralement une atténuation CM de 15 à 25 dB à 150 kHz, ce qui est réalisable dans ce système avec un CMC de 0,7 à 2 mH.

Facteur QQ = Z_CM/DCR indique une perte par rapport à la réactivité. Les CMC à Q élevé (Q > 50) sont réactives et peuvent entrer en résonance avec la capacité du câble ; les CMC à faible Q (Q < 10, utilisant de la ferrite avec perte) assurent une suppression à large bande sans problèmes de résonance. Selon les notes d'application de Wurth, les CMC pour lignes à haute tension utilisent de la ferrite avec perte ; les CMC pour lignes de signal utilisent de la ferrite à haute perméabilité et à faibles pertes pour une atténuation minimale du mode différentiel.

Exemple Résolu

Problème : Sélectionnez un CMC pour un port USB 2.0 présentant un bruit CM de 75 dBuV à 150 kHz par rapport à la limite CISPR 32 de 66 dBuV. La perte d'insertion est prise dans le système d'essai de la CISPR 17 : source de 50 ohms, charge de 50 ohms.

Solution selon Ott :

  1. Atténuation requise : 75 - 66 + marge de 6 dB = 15 dB à 150 kHz
  2. IL = 20 x log10(|100 + jX|/100) sans la DCR ; 15 dB exigent |100 + jX| = 100 x 10^0,75 = 562 ohms, donc X = sqrt(562^2 - 100^2) = 553 ohms
  3. Inductance requise : L = X/(2 x pi x f) = 553/(2 x pi x 150000) = 587 uH ; utilisez une valeur standard de 680 uH
  4. Vérifiez IL : X à 150 kHz = 2 x pi x 150000 x 680e-6 = 641 ohms ; IL = 20 x log10(|100 + j641|/100) = 16,2 dB (répond à l'exigence de 15 dB)
  5. Les signaux différentiels ne voient que l'inductance de fuite, que ce calculateur ne modélise pas ; vérifiez-la sur la courbe d'impédance en mode différentiel de la fiche technique à 240 MHz, la fondamentale de l'USB 2.0 haute vitesse

Sélectionnez : le Würth 744272102 (1 mH, 1 A, DCR de 0,3 ohm, adapté à l'USB) fournit 19,5 dB à 150 kHz dans ce système.

Conseils Pratiques

  • ✓Placer le CMC à moins de 10 mm du connecteur — les courants CM entrent par le point de fixation du câble ; placer le CMC loin du connecteur permet au bruit de rayonner depuis le câblage interne avant le filtrage, conformément à Johnson/Graham.
  • ✓Pour l'USB 3.0 SuperSpeed (5 Gbit/s) : sélectionnez une CMC avec une impédance différentielle inférieure à 3 ohms à 2,5 GHz pour éviter la fermeture des yeux. Les CMC à alimentation standard présentent des pertes différentielles excessives, conformément au guide de conception USB-IF.
  • ✓Ajoutez des condensateurs Y parallèles (1 à 4,7 nF) à la terre des deux côtés de la CMC. Les condensateurs fournissent un chemin CM à faible impédance aux hautes fréquences où l'inductance de la CMC est contournée par une capacité parasite.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En utilisant l'impédance de la fiche technique de 100 MHz pour extrapoler à 150 kHz, la perméabilité de la ferrite varie de 10 fois sur toute la gamme de fréquences. Selon Wurth, la courbe d'impédance en fonction de la fréquence est essentielle ; un CMC de 2 000 ohms à 100 MHz peut n'avoir que 200 ohms à 150 kHz.
  • ✗Ignorer la chute de tension DCR : un CMC DCR de 1 ohm à une charge de 5 A perd 5 V, ce qui est inacceptable pour une alimentation USB de 5 V. Conformément aux directives TDK, sélectionnez DCR < 2 % de la tension d'alimentation divisée par le courant de charge.
  • ✗Noyau saturé avec polarisation DC — L'inductance CMC chute de 30 à 50 % au courant continu nominal. Pour une charge de 2 A, sélectionnez une valeur CMC > 3A afin de maintenir l'inductance spécifiée selon les courbes de saturation de Murata.

Foire Aux Questions

La CMC possède deux enroulements couplés : les courants différentiels s'annulent (faible impédance par rapport au signal) et les courants CM s'ajoutent (haute impédance par rapport au bruit). La bille de ferrite est à enroulement unique et atténue de manière égale le mode différentiel et le mode commun. Utilisez le CMC sur des paires différentielles (USB, Ethernet, lignes électriques) ; utilisez des billes de ferrite sur les signaux asymétriques et les rails d'alimentation conformément à l'ingénierie EMC d'Ott.
Deux mécanismes selon TDK : (1) La perméabilité de la ferrite chute au-dessus de la fréquence caractéristique du matériau (généralement de 10 à 100 MHz), réduisant ainsi l'inductance ; (2) La capacité entre les enroulements (1 à 10 pF) crée un chemin de dérivation qui court-circuite les courants CM autour de l'inductance. L'impédance de la CMC culmine à la fréquence d'autorésonance puis diminue. Vérifiez toujours l'impédance à la fréquence problématique la plus élevée.
Oui, mais sélectionnez soigneusement chaque port USB-IF : (1) Impédance différentielle <3 ohms à des fréquences de 5 Gbit/s (2,5 GHz fondamental) ; (2) Impédance CM > 100 ohms à 30-200 MHz (bande de problèmes CEM) ; (3) Faible capacité (<0,5 pF) pour éviter tout décalage d'impédance. Des CMC USB 3.0 dédiés (par exemple, la série TDK ACM) sont conçus pour cette application.
Dépend du niveau de bruit et de l'impédance de charge. Règle générale : 0,5 à 2 mH pour les filtres EMI du secteur (fournit 500 à 2 000 ohms à 150 kHz) ; 100 à 500 uH pour les lignes électriques en courant continu ; 10 à 100 uH pour les lignes de signal. Calculez : L = (obligatoire Z_CM) / (2 x pi x 150000). Ajoutez une marge de 50 % pour la production et les variations de température.
Le sens du bobinage doit être correct : les deux enroulements doivent être enroulés dans le même sens pour que les courants différentiels soient annulés. Une polarité d'enroulement incorrecte fait que le CMC agit comme un inducteur en mode différentiel, atténuant le signal utile au lieu du bruit CM. Selon les fiches techniques de Wurth, suivez la convention des points indiquant la polarité correcte. L'échange de connexions L et N sur un CMC correctement enroulé n'affecte pas les performances.

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