Gestion EMC dans les applications de charge

Imaginez-vous au sein d'une équipe d'ingénieurs spécialisés dans la conception de chargeurs. Un nouveau projet arrive. Comment vous assurez-vous que la conception finale passera les tests CEM standard la première fois ?

Une première étape typique consiste à interpréter les normes CEM pertinentes applicables à l'application spécifique. (Les normes de qualité, de sécurité et environnementales sont tout aussi importantes, sinon plus, mais elles ne sont pas dans le cadre de cette discussion.) Il faut consulter les normes CEM commerciales si le produit est un chargeur rapide pour téléphones mobiles et ordinateurs portables. Les normes CEM automobiles doivent être appliquées si le produit est un chargeur embarqué (OBC) utilisé dans un véhicule électrique. S'il s'agit d'un produit basé sur le transfert d'énergie sans fil (WPT), il convient de se référer aux normes pertinentes et de rester attentif aux changements car les normes sont encore en cours d'élaboration.

À titre d'exemple, le tableau 1 répertorie les exigences de test CEM typiques qui s'appliquent à un OBC.

Une fois que les exigences ont été convenues par la société de conception et son client, le processus de conception suit. Ce processus de conception suit généralement une approche par étapes, comme le montre la figure 1. Il est fortement recommandé que les revues de conception CEM soient effectuées à chaque étape de la conception d'un produit et que des tests préliminaires soient organisés dès que le prototype du PCB est prêt. C'est peut-être le seul moyen d'assurer un contrôle CEM strict pour éviter des changements de conception majeurs à une étape ultérieure de la conception.

Figure 1 : Un processus de conception typique montrant les étapes de conception

Dans cet article, nous expliquons comment mettre en œuvre la gestion EMC au cours de la phase de conception et de développement à l'aide de démonstrations pratiques.

Au stade de la conception, les ingénieurs évaluent et sélectionnent la topologie d'un convertisseur de charge en fonction des exigences du produit. Il est essentiel de revoir la conception en tenant compte de la compatibilité électromagnétique. Une topologie de convertisseur de puissance populaire pour les applications de charge est un étage de correction du facteur de puissance (PFC) suivi d'un circuit résonant. Les circuits PFC courants comprennent des convertisseurs élévateurs entrelacés, des convertisseurs totem-pole sans pont et des convertisseurs totem-pole entrelacés. Les circuits résonnants populaires sont un LLC, un convertisseur à pont complet déphasé avec redresseur doubleur de courant, etc. La figure 2 illustre la topologie du convertisseur d'un OBC de 12 kW (à des fins de démonstration, seul le rail 1 du convertisseur est représenté).

Figure 2 : Schéma d'un chargeur embarqué 12 kW (les rails 2 et 3 ne sont pas représentés sur ce schéma)

Il est essentiel d'avoir un étage PFC pour améliorer le facteur de puissance du réseau et pour obtenir une distorsion harmonique totale (THD) plus faible pendant l'état de charge. Sans le PFC, la charge, en particulier la charge rapide, consomme un courant de crête élevé au pic de tension et presque aucun courant sur le cycle secteur restant. Il en résulte un flux de courant trop élevé dans les conducteurs du secteur, les lignes de transport d'énergie et les transformateurs de puissance.

Dans l'exemple illustré à la figure 3, un PFC totem-pôle boost entrelacé est sélectionné parce que la topologie à deux rails entrelacés permet d'obtenir un courant nominal divisé par deux par demi-pont. Cela entraîne une annulation du courant d'ondulation à la fois à l'entrée et à la sortie de l'étage PFC. En conséquence, cela réduit la taille du condensateur de masse et réduit l'impact CEM du PFC. Mais cette approche augmente le nombre de dispositifs de commutation et la complexité de la commande. (La référence 1 propose une étude comparative détaillée entre différentes topologies PFC mais ne se concentre pas sur l'analyse des performances EMC.)

Figure 3 : L'un des avantages de l'utilisation d'une topologie de mâts totémiques entrelacés est l'annulation du courant d'ondulation

C'est le travail de l'ingénieur de conception de sélectionner la topologie PFC en fonction de l'application prévue. La décision doit être basée sur les compromis entre l'efficacité, la facilité de fabrication, le coût, le poids, les considérations thermiques et la compatibilité électromagnétique. La topologie dépend également de la puissance nominale des applications. Par exemple, s'il s'agit d'un dispositif de recharge rapide pour un ordinateur portable ou un téléphone mobile, la topologie PFC sera un simple boost PFC sans entrelacement. Un certain nombre de compromis peuvent également être observés lorsqu'il s'agit de sélectionner l'étage du convertisseur résonnant. Il convient de noter que la commutation au zéro de tension (ZVS) a été largement utilisée pour les convertisseurs résonnants. Lorsqu'il est conçu correctement, ZVS fournit des améliorations significatives du circuit dans la commutation de tension nulle et d'autres domaines, tels que la réduction des courants de mode commun.

La référence 2 traite de l'importance de sélectionner les bons types de dispositifs d'électronique de puissance. Pour les applications de charge, le choix des bons appareils est essentiel pour obtenir une conception compacte et se conformer aux exigences CEM. Parmi les dispositifs de choix, les dispositifs à large bande interdite tels que les dispositifs au nitrure de gallium (GaN) sont largement utilisés dans les applications commerciales telles que les chargeurs rapides pour ordinateurs portables et téléphones, tandis que les dispositifs au carbure de silicium (SiC) sont dominants dans les applications haute tension haute puissance telles que les OBC utilisés dans les véhicules électriques.

Comme le montre la figure 4, la plupart des dispositifs GaN sont montés en surface avec des circuits de commande intégrés, tandis que la plupart des SiC sont des dispositifs discrets traversants en raison du niveau de puissance élevé. Bien que les dispositifs SiC D2PAK soient disponibles, ils ne sont pas le choix préféré des ingénieurs concepteurs, principalement en raison des différentes caractéristiques thermiques associées au boîtier.

Figure 4 : Les dispositifs à large bande interdite tels que les FET GaN et SiC sont largement utilisés dans les applications de charge

Les dispositifs traversants sont robustes, peu coûteux et bénéficient de meilleures caractéristiques thermiques, et sont donc largement utilisés dans les applications haute tension et haute puissance. Mais, pour EMC, ils ne sont pas aussi bons que les dispositifs montés en surface car les câbles extra-longs du boîtier introduisent une plus grande inductance.2 Étant physiquement grands, ils rayonnent également plus efficacement que les dispositifs montés en surface. La conception thermique autour de ces appareils est cruciale car les dissipateurs thermiques sont souvent beaucoup plus grands que les appareils eux-mêmes. Si le dissipateur thermique n'est pas bien mis à la terre, il peut rayonner beaucoup plus à une plage de fréquences inférieure (30-300 MHz).3

Outre les dispositifs de commutation, les composants magnétiques tels que le transformateur utilisé dans l'étage du convertisseur résonnant doivent également être conçus en tenant compte des considérations CEM. L'efficacité du système est toujours le facteur de conception le plus important. Par conséquent, les pertes d'un transformateur (y compris les pertes dans le noyau, les pertes dans le cuivre, l'effet de peau et l'effet de proximité) sont souvent prises en compte lors de la phase de conception. Le schéma ZVS nécessite également un noyau saturable du transformateur et préfère une inductance de fuite plus élevée. Cela signifie que la conception CEM d'un transformateur est souvent négligée.

Un simple blindage électrostatique peut souvent aider à réduire le courant de mode commun lorsqu'il est ajouté au transformateur.4 Le blindage doit être connecté à 0 V du côté primaire et doit être maintenu aussi mince que possible pour minimiser la perte de courant de Foucault due à l'effet de proximité. Un deuxième blindage côté secondaire améliore encore les performances CEM, mais à un coût de fabrication supplémentaire.

D'autres techniques dans la conception du transformateur incluent l'annulation du courant en mode commun ou le soi-disant équilibre du courant en mode commun basé sur une conception de structure d'enroulement unique.5 Il convient de noter que la conception du transformateur est également la clé de l'optimisation du ZVS du convertisseur.

Au cours de l'examen de la conception, les avantages et les inconvénients de chaque sélection de composants doivent être évalués. L'efficacité, la taille et le coût sont souvent les facteurs clés dans le choix des composants. Mais la comparaison doit également tenir compte des considérations EMC. Par exemple, les ingénieurs sélectionnent souvent des composants de manière à obtenir le meilleur facteur de forme et un coût minimal, pour découvrir qu'un filtre lourd, encombrant et coûteux doit être ajouté ultérieurement car les commutateurs/transformateurs sélectionnés créent trop de problèmes EMI. Si le problème avait été mis en évidence au début de l'étape de sélection des composants, le temps total et le coût auraient pu être réduits.

Lors de l'examen schématique, une attention particulière doit être accordée aux domaines suivants :

En ce qui concerne l'examen de la mise en page, le diable est dans les détails. Un examen de la configuration peut facilement prendre quelques jours avec des ingénieurs de conception de plusieurs disciplines impliquées. Les condensateurs de découplage, les emplacements des filtres, les connecteurs, les pistes, les vias, etc., doivent tous être examinés attentivement lors de la phase de révision.

Un exemple est illustré à la figure 5. Afin de dissiper la chaleur générée par les dispositifs GaN, une grande zone de cuivre et des vias thermiques sont souvent utilisés. Il s'agit d'une caractéristique de conception généralement privilégiée par les ingénieurs en électronique et les ingénieurs thermiques, car les grandes zones de cuivre dissipent la chaleur plus efficacement, permettant ainsi une conversion plus efficace. Le nœud de commutation d'un demi-pont connecte le nœud source d'un appareil et le nœud de drain de l'autre. Mais le fait d'avoir une grande surface de cuivre augmente effectivement la taille du nœud de commutation, ce qui aggrave l'émission et la rend difficile à contenir. Ce risque lié à la CEM doit être mis en évidence lors de la phase de conception de la configuration et un plan d'atténuation doit être conçu. Dans ce cas, un plan d'atténuation possible serait d'utiliser une feuille d'aluminium/cuivre sur les appareils. Cette feuille aide à dissiper la chaleur tout en fournissant un blindage sur le nœud de commutation. Ce plan d'urgence peut ensuite être mis en œuvre et testé au stade de l'emballage et de la mécanique.

Figure 5 : L'utilisation d'une grande zone de cuivre sous le nœud de commutation peut entraîner une aggravation des EMI, un blindage sur les appareils est bénéfique à la fois pour la thermique et la CEM

Un test préliminaire doit être effectué dès que le premier prototype de PCB est prêt. Il est vrai que les performances CEM d'un produit dépendent de la disposition et de l'emballage, et le profil de bruit d'un produit final sera différent de celui d'un seul PCB. Cependant, un exercice de sondage en champ proche à un stade précoce peut souvent indiquer des signaux d'alarme et récolter des bénéfices à la fin du processus de conception.

Au niveau du circuit imprimé, deux tests simples sur banc peuvent être effectués. Le sondage en champ proche, comme l'utilisation d'une boucle de champ magnétique sur la zone du PCB, peut localiser la source de bruit (voir Figure 6). Le profil de bruit est généralement une bonne indication des émissions conduites et rayonnées.6 Comme le montre la Figure 7, la mesure du courant de mode commun sur les câbles à l'aide d'une sonde de surveillance du courant RF est un autre moyen efficace de prédire les émissions conduites et rayonnées du PCB à l'étude.7

Figure 6 : L'utilisation d'une sonde magnétique en champ proche constitue un moyen rapide de tester les performances CEM du PCB

Figure 7 : Utilisation d'une sonde de surveillance de courant RF pour mesurer le courant de mode commun sur les câbles du PCB

L'emballage du produit final est souvent considéré comme un travail mécanique. À ce stade, le produit final est assemblé et la conception thermique est appliquée. Les assemblages de PCB peuvent impliquer d'empiler des PCB, d'empiler des PCB sur des entretoises au châssis, de connecter des PCB par fil, des connexions de PCB aux connecteurs du châssis, etc. Sur la conception thermique, pour les petites applications de puissance, cela signifie appliquer de la pâte/colle thermique et des tampons thermiques. Pour les applications de grande puissance, cela signifie la mise en œuvre de dissipateurs thermiques et de tuyaux de refroidissement liquide.

Les principaux défis à ce stade sont de minimiser l'impédance de connexion. Par exemple, la hauteur des entretoises détermine l'inductance entre les PCB et le châssis. Par conséquent, plusieurs écartements plus courts sont préférables du point de vue de la CEM, une préférence généralement approuvée également par les ingénieurs en mécanique2. Cependant, avec des PCB empilés, des résonances de cavité peuvent se produire et des moyens de réduire les risques des structures de résonance peuvent être trouvés dans les références 8 et 9.

Les dissipateurs thermiques doivent être liés au 0V ou aux rails d'alimentation pour les empêcher de rayonner les émissions. Les blindages tels que le blindage en aluminium/cuivre introduit précédemment doivent également être collés au plan 0V pour les faire fonctionner pour EMC.3 (Pour la conception thermique, ils n'ont pas besoin d'être collés à aucun point.)

Les deux tests CEM les plus importants pour les applications de charge concernent les émissions conduites et rayonnées. Il est toujours recommandé de tester les produits dans une configuration de test CEM de pré-conformité avant d'envoyer l'unité pour un test de conformité formel. La bonne nouvelle est que les tests de pré-conformité des émissions conduites et rayonnées peuvent être effectués sur une paillasse à un coût relativement faible.

En fonction de la puissance nominale du DUT, des LISN de puissance nominale appropriée peuvent être utilisés pour les tests d'émissions conduites. Comme il s'agit d'une application haute tension, la sécurité haute tension doit être prioritaire lors de la mise en place d'une configuration de test de pré-conformité. L'utilisation d'un transformateur d'isolement et la mise à la terre du plan de masse de test à la terre de sécurité sont absolument nécessaires pour garantir le fonctionnement sûr du test d'émission conduite. La figure 8 montre une configuration d'émission conduite de pré-conformité de paillasse pour un produit en développement utilisant des commutateurs GaN.

Figure 8 : Un chargeur rapide est testé contre les émissions conduites dans une configuration de test de pré-conformité

Une cellule électromagnétique transversale ouverte (TEM) est souvent utilisée pour déterminer les modèles rayonnés d'un DUT. Il convient de noter qu'une configuration de cellule TEM ne fournira pas exactement les mêmes résultats quantitatifs qu'une mesure utilisant des antennes à champ lointain. En raison des contraintes d'espace, des fils plus longs sont souvent enroulés dans l'espace de la cellule TEM, ce qui affecte également le profil d'émission rayonnée. Néanmoins, l'utilisation d'une cellule TEM s'est avérée être un moyen efficace de prédire les émissions rayonnées d'un DUT.

Comme le montre la figure 9, un OBC est placé à l'intérieur de la cellule TEM. Pour dessiner un profil d'émission complet du DUT, trois orientations orthogonales principales du DUT doivent être placées.10 Mais cela illustre également les limites de l'utilisation d'une cellule TEM pour tester des produits de grande puissance tels que sur OBC en raison de la hauteur du spectre d'une cellule TEM (dans ce cas, cette cellule TEM a une hauteur de spectre de 15 cm). Par conséquent, dans ce cas, une seule orientation du DUT est testée. Cependant, pour les applications de charge d'appareils ménagers, un DUT est suffisamment petit pour être testé avec les trois principales orientations orthogonales.

Figure 9 : Un OBC pour application automobile est testé contre l'émission rayonnée dans une cellule TEM

Espérons qu'à ce stade, les résultats de pré-conformité fournissent un niveau élevé de confiance que l'appareil réussira les tests d'émission. Cependant, si des drapeaux rouges sont mis en évidence, les ingénieurs peuvent revenir à l'étape précédente pour élaborer un plan de dépannage qui finira par résoudre les problèmes mis en évidence.

Il existe toujours un certain degré d'incertitude en ce qui concerne les tests CEM finaux. Mais, en suivant le processus de gestion EMC décrit dans cet article, il ne devrait pas y avoir de grosses surprises. Le processus permet de s'assurer que tous les aspects CEM prévisibles ont été pris en compte et traités au cours du processus de conception. Les notes de réunion de chaque revue de conception doivent être bien documentées dans une évaluation des risques CEM. L'évaluation des risques CEM constitue une preuve convaincante que l'entreprise a au moins tenté de résoudre les problèmes CEM.

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Le Dr Min Zhang est le fondateur et le principal consultant EMC de Mach One Design Ltd, une société d'ingénierie basée au Royaume-Uni spécialisée dans le conseil, le dépannage et la formation EMC. Ses connaissances approfondies en électronique de puissance, électronique numérique, machines électriques et conception de produits ont profité à des entreprises du monde entier.

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