Dépannage des problèmes EMI causés par les résonances structurelles

Cela vous est-il arrivé? Lors du dépannage d'un problème d'interférence électromagnétique (EMI), vous avez essayé diverses combinaisons de composants et constaté que le signal d'intérêt était réduit. Mais un autre signal de fréquence a augmenté de manière inattendue au-dessus de la ligne limite. Ou, vous avez introduit un plan de châssis sur votre carte de circuit imprimé (PCB), seulement pour constater que les émissions rayonnées se sont bien aggravées au lieu de s'améliorer. Ce sont des cas typiques de "réglage des résonances d'un circuit".

La plupart des émissions EMI sont liées aux résonances structurelles. Les résonances structurelles sont également l'une des principales raisons pour lesquelles la compatibilité électromagnétique (CEM) peut être mystifiante. Sans le savoir, les ingénieurs passent souvent des jours et des mois à régler les résonances d'un circuit en ajoutant des éléments passifs tels que des inductances et des condensateurs. Parfois, ils ont la chance d'arriver enfin à une combinaison qui leur donnerait une passe. Mais la plupart du temps, les solutions sont difficiles à trouver.

Une quantité énorme de travail a été effectuée sur le sujet des résonances structurelles et un aperçu de ces travaux peut être trouvé dans la référence 1. Deux études de cas pratiques sont également présentées dans la référence 1 pour démontrer des méthodes pour identifier, localiser et résoudre les problèmes d'EMI qui sont associés à des résonances structurelles.

L'ingénierie CEM nécessite souvent que des problèmes soient résolus (mais non étudiés) dans un temps limité. Par conséquent, les techniques qui sont efficaces mais qui permettent également de gagner du temps sont encouragées. Il existe des indicateurs qui signalent la présence de résonances structurelles, et les ingénieurs peuvent apprendre à utiliser ces indicateurs pour localiser la structure résonnante et résoudre les problèmes d'EMI. Cet article explore également certaines techniques pratiques de dépannage des problèmes EMI causés par les résonances structurelles. Des études de cas sont présentées pour illustrer ces techniques.

Les conditions suivantes doivent être remplies pour qu'une structure résonne :

Figure 1 : Cas typiques de résonances structurelles ; (a) Deux PCB avec une connexion filaire ; (b) Deux armoires avec le même point de masse.

D'une manière générale, il existe trois méthodes pour localiser les résonances structurelles qui incluent les techniques analytiques, dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel.

Une approche analytique nécessite généralement de l'expérience et un savoir-faire technique pour modéliser/simuler le système. Pour les petits systèmes avec des problèmes connus, tels que l'étude de cas présentée dans la référence 1, des calculs mathématiques simples sont souvent assez bons pour donner une estimation de la fréquence de résonance du dispositif sous test (DUT). Souvent, une approche analytique est réalisée soit par une simulation 3D pleine onde, soit par un logiciel CEM spécialisé.

L'avantage de l'approche analytique est qu'elle peut faire une prédiction avant la construction d'un prototype, ce qui rend cette approche populaire dans la conception et le développement d'applications automobiles, aérospatiales et spatiales. Souvent, ces entreprises disposent de modèles de simulation qui ont été validés dans le passé et qui peuvent être facilement modifiés pour une nouvelle étude. Mais pour les entreprises qui ne disposent pas de modèles existants, la création d'une simulation peut s'avérer longue et coûteuse.

Dans le domaine fréquentiel, il existe deux techniques principales. La mesure de la puissance réfléchie par une boucle de champ magnétique est discutée dans la référence 2 et la même méthode a été démontrée dans la référence 1. Cette méthode nécessite une petite boucle de champ magnétique pour "renifler" les structures suspectes, souvent au niveau de la carte de circuit imprimé. Williams a introduit une mesure de champ lointain à l'aide d'un analyseur de spectre avec un générateur de suivi (voir référence 3). Un signal de référence est injecté dans le DUT par la sortie du générateur de suivi et une antenne est utilisée pour mesurer le signal de réponse. Cette méthode est particulièrement utile dans les applications où la masse du PCB résonne avec le boîtier (châssis). Les deux méthodes sont pratiques et ne nécessitent qu'une petite quantité de configuration de test. L'inconvénient de ces méthodes est qu'elles sont souvent limitées à une enquête au niveau de la carte PCB et ne sont pas utiles dans les grands systèmes.

Dans le domaine temporel, la mesure du courant de résonance avec une sonde de surveillance de courant RF lorsqu'une impulsion est injectée dans le système est souvent utilisée (voir référence 4). Cela constitue une technique efficace lorsqu'il s'agit de dépanner de grands systèmes ou lorsque plusieurs PCB sont interconnectés.

Le tableau 1 résume les techniques et les avantages et inconvénients de chaque méthode.

Il faut beaucoup de temps pour construire un modèle avec précision.

La licence pour exécuter le logiciel peut être coûteuse.

Ces techniques sont introduites et démontrées dans la référence 1. Cet article explore plus en détail des approches plus pratiques basées sur les caractéristiques des résonances structurelles.

L'une des caractéristiques typiques des résonances structurelles est que les résonances peuvent augmenter la quantité d'émissions car le radiateur final est plus efficace que le radiateur d'origine (voir référence 5). L'étude de cas suivante illustre ce point.

Lors des tests d'émission rayonnée d'un véhicule électrique de grande taille, il a été constaté qu'un pic à bande étroite à 222 MHz dépassait la limite (Figure 2a). Il a été constaté que le bruit provenait d'une caméra installée dans l'habitacle du véhicule. Plusieurs ferrites ont été utilisées sur les câbles d'alimentation de la caméra, mais l'amélioration n'était pas suffisamment significative pour supprimer le bruit (c'est un autre signe de résonances structurelles). Le test a également montré une "incohérence", car le même bruit a été mesuré beaucoup plus bas à certaines occasions (comme le montre la figure 2b). Nous avons accidentellement découvert que la différence dans les résultats d'émission était causée par la porte du véhicule. Lorsque la porte était ouverte, l'émission de bruit était nettement inférieure à celle lorsque la porte était fermée.

Figure 2 : (a) Bruit à 222 MHz causé par la caméra embarquée (b) lorsque la porte du véhicule était ouverte

En eux-mêmes, les caméras du véhicule et leurs circuits associés, y compris les câbles d'alimentation de 20 cm de long, n'étaient pas un radiateur efficace aux fréquences (et aux harmoniques) contenues dans les circuits. Comme le montre la figure 3, lorsque la porte était fermée, elle était positionnée près de la zone de la caméra. La porte était principalement en verre, mais le cadre, ainsi que la structure mécanique reliant la porte, faisait partie de l'enceinte métallique et devait être considéré comme un problème CEM. Même si la porte n'était pas en contact physique avec la caméra, la capacité et l'inductance parasites y couplaient l'énergie RF de la caméra, et le bruit à 222 MHz était émis très efficacement. À 222 MHz, un fil de demi-onde mesure environ un demi-mètre. La structure représentée sur la figure 3 peut facilement agir comme une antenne efficace.

Figure 3 : La porte du DUT agit comme une antenne plus efficace et augmente les émissions

L'identification et la localisation de la résonance structurelle est souvent la partie la plus difficile du travail en matière de dépannage EMI. Dans ce cas, il est logique que les ferrites sur les câbles d'alimentation de la caméra n'aient pas été efficaces car le radiateur final n'a pas été supprimé. Une approche plus sensée consiste à isoler la source de bruit en protégeant le câble d'alimentation de la caméra avec une feuille d'aluminium et en le plaçant loin de la porte. Cela constitue également un moyen rentable de résoudre le problème. Le bruit a été considérablement réduit lorsque la porte était fermée, comme le montre la figure 4.

Figure 4 : En séparant les câbles d'alimentation de la caméra à l'aide d'une feuille d'aluminium, le bruit de 222 MHz a été considérablement réduit.

Dans cette étude de cas, un appareil a échoué aux tests d'immunité (tests d'immunité rayonnée et d'injection de courant de masse (BCI)) dans la plage de fréquences de 200 et 400 MHz, et dans la plage de 800 et 900 MHz. Dans d'autres gammes de fréquences, l'appareil a fonctionné normalement sans erreur.

Le PCB du DUT a une taille d'environ 50 mm × 50 mm, formant une boucle de 200 mm de long. L'hypothèse était que les traces et les pistes sur le PCB auraient pu former une antenne cadre efficace dans la gamme de fréquences 200-350 MHz. L'onde électromagnétique se propage dans un matériau FR4 à une vitesse de 1,5 × 108 m/s, basée sur l'équation v = λf, où v est la vitesse de la lumière dans FR4 et f est la fréquence. Pour une onde de 200 MHz, une longueur d'onde complète est alors calculée comme étant de 750 mm. Un quart de longueur d'onde (où le rayonnement est le plus fort) est de 187,5 mm. Le PCB lui-même peut résonner dans une gamme de fréquences de 200 MHz. Il absorberait probablement plus d'énergie RF à 200 MHz (et ses harmoniques) qui est injectée à partir de la source de bruit dans les tests d'immunité.

À l'aide d'une sonde de surveillance du courant RF, nous avons mesuré le RF devant et derrière le PCB dans le test d'immunité, comme illustré à la figure 5. Un balayage de fréquence a été effectué de 100 MHz à 1 GHz. L'amplificateur RF a injecté le même niveau de bruit RF dans le câble du connecteur principal via une sonde BCI à partir d'une gamme de fréquences de 100 MHz et 1 GHz. Les résultats sont présentés à la figure 6.

Figure 5 : configuration de test pour mesurer le courant RF sur deux emplacements du DUT, emplacement 1-avant le PCB ; emplacement 2 – après le PCB

Figure 6 : Balayage en fréquence entre 100 MHz et 1 GHz

La trace jaune a montré les résultats à l'emplacement 2 et la trace rose a montré les résultats à l'emplacement 1. La trace bleue est la différence entre les deux mesures. Fondamentalement, le profil positif indiqué dans la trace bleue (comme indiqué à partir des marqueurs de point de fréquence 1 et 2 et des marqueurs de point de fréquence 3 et 4) signifie que le PCB amplifie le signal d'entrée, alors qu'avec le reste de la gamme de fréquences, le PCB atténue le Bruit RF (affiché sous forme de profil négatif). Nous savons maintenant pourquoi nous avions un problème d'immunité entre 200 MHz et 400 MHz et entre 840-920 MHz.

La solution à ce problème d'immunité nécessite une bobine d'arrêt en mode commun (CMC) qui fonctionne le plus efficacement dans la plage de fréquences d'intérêt, ainsi que des condensateurs de découplage. Les valeurs de capacité sont de 470pF car elles fonctionnent efficacement dans cette gamme de fréquences.

Un autre signe de résonances structurelles est que les ferrites ne fonctionnent souvent pas aussi efficacement qu'elles le devraient. Par exemple, dans la première étude de cas, les ferrites sur le câble d'alimentation de la caméra n'ont pas supprimé le bruit comme on l'aurait espéré. L'utilisation d'une ferrite comme élément de filtre pour réduire la résonance du câble est généralement efficace car les ferrites sont résistives (avec perte) et doivent agir comme un élément d'amortissement. Mais si la principale résonance structurelle n'est pas le câble, l'ajout de ferrite ajoute parfois des réflexions. En conséquence, le niveau de bruit reste le même ou change avec la fréquence.

La figure 7 montre l'émission conduite d'une conception de PCB nouvellement développée qui a créé un problème de résonance entre 50 et 100 MHz. Comme on peut le voir, la nouvelle conception a amélioré les performances basse fréquence du PCB mais a échoué de manière significative à haute fréquence. Ce que les ingénieurs ont découvert, c'est que même avec plusieurs ferrites sur le câble d'alimentation, l'émission conduite ne pouvait pas être réduite. Dans la fréquence comprise entre 50 et 100 MHz, le profil de bruit est resté élevé.

Figure 7 : Résultats des émissions conduites du PCB en cours de développement ; trace jaune - ambiante, trace rose - design précédent, trace bleue - nouveau design

Il a été constaté lors de l'examen de la configuration que les ingénieurs avaient négligé de connecter le châssis et le plan de masse du PCB. En conséquence, le plan de masse du PCB a commencé à résonner avec le châssis lorsque le DUT était en fonctionnement. Un dV/dt élevé a été développé sur le plan de masse en référence au châssis, entraînant une augmentation des émissions. Une connexion rapide de ruban de cuivre entre les points de masse et de châssis sur le circuit imprimé (illustré à la figure 8a) a réduit le bruit de plus de 20 dB dans la plage de fréquences d'intérêt (figure 8b).

Figure 8 : (a) connexion du châssis et du plan de masse par des connexions de ruban de cuivre (b) les résultats d'émission conduite sont améliorés de manière significative

Lors du dépannage des problèmes EMI, quelques signes indiquent des résonances structurelles. Les résonances structurelles augmentent les émissions dans la gamme de fréquences de résonance (et ses harmoniques) et rendent également le système testé plus sensible aux interférences externes à la fréquence de résonance. Parfois, l'ajout de ferrites ne peut pas résoudre les problèmes causés par les résonances structurelles, et l'ajout de condensateurs modifie la fréquence de résonance. La première étape pour résoudre ces problèmes consiste à identifier et à localiser la structure résonnante. Une fois cela fait, la résolution des problèmes implique souvent l'isolation, l'amortissement et l'amélioration des connexions au sol.

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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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