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EMC

Estimation des émissions rayonnées

Estime les émissions rayonnées en champ lointain d'une boucle de courant PCB avec le modèle d'antenne à petite boucle. Comparaison avec CISPR 22/FCC classe B.

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Formule

E=1.316×10−2×f2×A×I/r[V/m,finMHz,Ainm2]E = 1.316×10⁻² × f² × A × I / r [V/m, f in MHz, A in m²]

Référence: Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering

f— Fréquence (MHz)
A— Zone de boucle (m²)
I— Courant de boucle (crête) (A)
r— Distance (m)

Comment ça marche

Le calculateur d'estimation des émissions rayonnées prédit l'intensité du champ E à partir des boucles de courant des circuits imprimés, ce qui est essentiel pour la révision de la conception CEM à un stade précoce avant la construction de prototypes et les tests de pré-conformité. Les ingénieurs EMC s'en servent pour évaluer les modifications de conception (réduction de la surface de boucle, réduction du courant) et estimer la marge aux limites de la norme CISPR 32 Classe B (40 dBuv/m à 30-230 MHz, distance de 3 m).

Selon « EMC Engineering » d'Henry Ott, une petite antenne cadre (dimensions << longueur d'onde) émet un champ E = 263 x f^2 x A x I/r (V/m), où f est la fréquence en MHz, A est la surface de la boucle en m^2, I est le courant de pointe en A et r est la distance en m. Conversion en unités CEM courantes : E (dBuv/m) = 20 x log10 (E x 1e6)). La formule montre que les émissions augmentent sous forme de fréquence au carré, le doublement de la fréquence quadruplant l'émission.

Selon la « conception numérique à haute vitesse » de Johnson/Graham, la principale source d'émission dans les systèmes numériques est la boucle de courant haute fréquence formée par la trace du signal, la charge et le chemin de retour à la terre. Une boucle de 1 cm^2 transportant 10 mA à 100 MHz produit 8,77 uV/m à 3 m, soit 18,9 dBuv/m, soit bien en deçà de la limite CISPR 32 de classe B de 40 dBuv/m. Cependant, plusieurs boucles se combinent : 10 boucles similaires produisent environ 29 dBuv/m (augmentation de 10 dB).

La surface de boucle est le paramètre critique : la réduction de moitié de la surface de boucle réduit les émissions de 6 dB (50 %). Selon Ott, le fait de placer des traces directement au-dessus du plan du sol (H = 0,1 mm contre H = 1 mm) réduit la surface de la boucle de 10 fois, réduisant ainsi les émissions de 20 dB. C'est pourquoi les empilements à impédance contrôlée avec des plans de masse adjacents offrent un avantage EMC inhérent.

Exemple Résolu

Problème : Estimez l'émission rayonnée par le SMPS avec un courant d'ondulation de 50 mA à une fréquence de commutation de 500 kHz via une boucle d'entrée de 2 cm^2. Comparez avec la limite de classe B du CISPR 32 à la 5e harmonique (2,5 MHz).

Solution par mois :

  1. Paramètres : f = 2,5 MHz, A = 2 cm^2 = 2e-4 m^2, I = 50 mA = 0,05 A, r = 3 m
  2. Champ E : E = 263 x (2,5) ^2 x 2e-4 x 0,05/3 = 263 x 6,25 x 2e-4 x 0,05/3 = 0,55 uV/m
  3. E en dBuv/m : 20 x log10 (0,55) = -5,2 dBuV/m
  4. Limite CISPR 32 Classe B à 2,5 MHz : N/A (le rayonnement commence à 30 MHz)
  5. À 30 MHz (60e harmonique, en supposant une atténuation de -20 dB/décennie à partir de 2,5 MHz) : E environ -5,2 - 20 = -25 dBuV/m ? Non, utilisez le calcul direct :
  6. f = 30 MHz, en supposant une réduction du courant à 5 mA : E = 263 x 900 x 2e-4 x 0,005/3 = 7,9 uV/m = 18 dBuV/m
  7. Marge jusqu'à la limite de 40 dBuV/m : 22 dB — confortable s'il ne s'agit que d'une source d'émission
Remarque : Le SMPS réel comporte plusieurs boucles ; les émissions globales sont généralement supérieures de 10 à 20 dB à l'estimation d'une boucle unique.

Conseils Pratiques

  • ✓La réduction de la surface de boucle cible d'abord : par Ott, la réduction de moitié de la surface de boucle réduit les émissions de 6 dB ; la réduction de moitié du courant réduit également de 6 dB, mais la réduction du courant nécessite souvent une topologie différente. L'itinéraire revient directement sous les traces de signal pour une surface de boucle minimale.
  • ✓Utilisez une sonde H en champ proche pour identifier la boucle dominante. Par Ott, cartographiez les sources d'émission à l'aide d'une sonde à boucle avant d'apporter des modifications. Souvent, une boucle (horloge, entrée SMPS) domine ; la correction de cette boucle permet une amélioration de 10 à 20 dB tandis que les autres modifications ont un impact minimal.
  • ✓Calculez aux 3e et 5e harmoniques d'horloge — selon CISPR 32, les harmoniques d'horloge numériques définissent souvent la fréquence d'émission la plus défavorable. Une horloge de 100 MHz possède des harmoniques de 300/500 MHz dans la bande rayonnée de 30 à 1 000 MHz où des limites s'appliquent.

Erreurs Fréquentes

  • ✗À l'aide d'une formule pour la prédiction absolue de réussite ou d'échec, selon Ott, la formule de la petite boucle est une estimation en champ lointain en supposant une seule boucle isolée. Les produits réels ont de multiples boucles, des réflexions sur le plan du sol et des effets d'antenne câblée. À utiliser pour une analyse comparative (« quel correctif est le plus utile ? ») pas une prévision de conformité absolue.
  • ✗En oubliant l'échelle d'émission f^2, selon Johnson/Graham, une émission de 100 MHz est 4 fois (12 dB) plus forte que 50 MHz pour le même courant de boucle. Les harmoniques à haute fréquence dominent les émissions même si le courant fondamental est plus important. Analysez toujours à l'harmonique significative la plus élevée.
  • ✗Sans tenir compte du fait que plusieurs boucles ajoutent — par Ott, N boucles similaires produisent sqrt (N) fois le champ d'une boucle lorsqu'elles sont incohérentes, ou N fois lorsqu'elles sont cohérentes (alignées en phase). Prévoyez une marge de 10 à 15 dB pour les émissions globales provenant de plusieurs sources embarquées.

Foire Aux Questions

Selon la norme CISPR 32 Classe B : 40 dBuv/m à 3 m de 30 à 230 MHz ; 47 dBuV/m de 230 à 1 000 MHz. Classe B de la FCC, partie 15 : 40 dBuv/m à 3 m de 30 à 88 MHz ; 43,5 dBuv/m de 88 à 216 MHz ; 46 dBuv/m de 216 à 960 MHz ; 54 dBuv/m de 960 MHz à 40 GHz. Les limites sont similaires en dessous de 1 GHz ; au-dessus de 1 GHz, la FCC est légèrement plus permissive. La plupart des modèles conformes à la norme CISPR 32 sont également conformes à la FCC.
Environ oui par Ott : une trace de microruban au-dessus du plan du sol forme une boucle partielle avec une surface effective = longueur du tracé x hauteur au-dessus du sol. Une trace de 50 mm à 0,2 mm de hauteur a une surface de boucle = 50 x 0,2 = 10 mm^2. La formule donne une estimation par ordre de grandeur ; utilisez des mesures de sonde en champ proche pour une précision supérieure à 100 MHz.
Uniquement comme indicateur approximatif selon Ott, à utiliser pour une analyse comparative de la conception (« la réduction de la boucle de 2 cm^2 à 0,5 cm^2 devrait s'améliorer de 12 dB ») plutôt que pour une prédiction absolue de réussite/échec. Les émissions réelles sont agrégées à partir de nombreuses sources, réflexions et effets d'antenne qui ne sont pas capturés par une formule simple. Prévoyez une marge de 15 à 20 dB dans les estimations relatives à la confiance en matière de production.
Selon la théorie des antennes (Pozar), l'efficacité du rayonnement des petites boucles augmente à mesure que (circonférence/longueur d'onde) ^2. Puisque la longueur d'onde = c/f, l'efficacité s'échelonne comme f^2. Cela a des implications CEM majeures : la 5e harmonique d'une horloge émet un rayonnement 25 fois (28 dB) plus fort que la valeur fondamentale pour le même courant. Les harmoniques à haute fréquence dominent les émissions rayonnées même à des niveaux de courant plus faibles.
Par Johnson/Graham : trace d'impédance contrôlée (0,2 mm au-dessus du sol, 50 mm de long) = 10 mm^2 ; trace de puissance (1 mm au-dessus du sol, 100 mm de long) = 100 mm^2 ; boucle d'entrée SMPS = 200-2000 mm^2 selon la configuration. Les boucles de 10 mm^2 sont généralement sûres ; les boucles de plus de 100 mm^2 nécessitent une analyse et une éventuelle atténuation (plan de masse, ferrite, blindage).

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