Comment séparer les courants de bruit harmonique différentiels et de mode commun

Les courants de mode différentiel et de mode commun peuvent amener votre produit à produire des émissions rayonnées et conduites. Ces trois techniques peuvent vous aider à les mesurer.

Si vous êtes confronté à des problèmes de CEM depuis un certain temps, vous avez probablement rencontré le terme « courants de mode commun », qui conduisent souvent à des émissions rayonnées. Les courants de mode commun (CM) et de mode différentiel (DM) provenant de l'entrée d'alimentation des alimentations peuvent provoquer des émissions conduites à partir des câbles. Les limites mondiales en matière d'interférences électromagnétiques conduites (EMI) peuvent entraîner l'échec des tests de conformité du produit.

Plusieurs mécanismes créent des courants de mode commun (ICM). Les courants de mode différentiel (IDM) résultent des tensions d'entrée pilotant les circuits de conversion de puissance à découpage. Les courants CM résultent généralement du bruit de commutation du dispositif d'alimentation qui est couplé capacitivement aux plans de référence ou à la structure du châssis. Le redressement et la commutation de puissance provoquent des courants de commutation harmoniques élevés. Nous utilisons un filtrage d'entrée pour minimiser ce bruit de commutation (EMI) provenant du couplage au port d'entrée secteur ou DC.

Figure 1 montre comment les différentes sections du filtre de ligne affectent à la fois les courants DM et CM. Par exemple, le « X » condensateur de plus, l'inductance DM de la self peut réduire les DM EMI. De la même manière, les condensateurs « Y » plus l'inductance CM de la self peuvent réduire les CM EMI. La possibilité de mesurer séparément les contributions EMI DM et CM nous permet de spécifier les valeurs appropriées des composants de filtre pour minimiser cet EMI couplé.

Figure 1. Les selfs et les condensateurs aident à filtrer les courants en mode différentiel et en mode commun provenant d'une alimentation. Image : Kenneth Wyatt

La méthode habituelle d'évaluation des émissions conduites (CE) consiste à utiliser un réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN). Malheureusement, cela ne trace que la combinaison de DM et CM EMI du côté ligne ou du côté neutre de l'entrée secteur AC. Pour concevoir correctement le filtre d'entrée, nous devons vraiment mesurer séparément les EMI DM et CM.

J'ai utilisé trois méthodes pour séparer les composants de bruit DM et CM : des sondes de courant RF, un appareil de Tekbox appelé « LISN Mate » et un nouvel analyseur d'EMZER, appelé EMScope.

Méthode de sonde de courant RF

C'est probablement la méthode la plus simple. Les sondes de courant RF, lorsqu'elles sont connectées à un analyseur de spectre, peuvent mesurer les très petits courants harmoniques RF qui produisent des EMI conduites. En serrant la sonde de courant autour des fils de ligne et neutre, nous mesurons le CM EMI total (Figure 2).

Figure 2. La ligne CA et les fils neutres passant par une sonde de courant RF vous permettent de mesurer les interférences électromagnétiques totales en mode commun.

En inversant l'un de ces fils (peu importe lequel), on mesure deux fois le DM EMI, qui est 6 dB plus élevé (Figure 3).

Figure 3. L'inversion de la direction d'un fil à travers la sonde inverse son champ magnétique, ce qui vous permet de mesurer les EMI en mode différentiel. Image : Kenneth Wyatt

Figure 4 montre les tracés combinés de DM et CM EMI. Nous pouvons voir que la tension DM est supérieure à la tension CM aux fréquences les plus basses dans le cas de cette alimentation AC.

Figure 4. Les tracés du spectre montrent la différence entre les tensions DM et CM par rapport à la fréquence. Image : Kenneth Wyatt

Méthode LISN Mate

L'évaluation des alimentations électriques pour les émissions conduites nécessite un LISN. Tekbox Digital Solutions a publié un appareil appelé LISN Mate (Figure 5). LISN Mate comprend des circuits qui séparent les signaux harmoniques DM du CM, ce qui est précieux pour évaluer les circuits de filtrage. Tekbox le précise de 30 kHz à 110 MHz mais le caractérise jusqu'à 150 MHz.

Figure 5. Le Tekbox LISN Mate divise les tensions DM et CM en fonction de la fréquence lorsqu'il est connecté à un analyseur de spectre. Image : Tekbox

Pour diviser DM et CM à l'aide du LISN Mate, il faut deux LISN connectés comme dans Figure 6.

Figure 6. Le Tekbox LISN Mate nécessite deux LISN distincts (ou un double LISN) et dispose de ports séparés pour les signaux DM et CM. Image : Tekbox.

Figure 7 montre les EMI DM et CM à partir d'une carte de démonstration de convertisseur DC-DC TI TPS54525. Deux LISN Tekbox TBOH01 DC distincts ont été utilisés. Le tracé DM est plus haut que le tracé CM dans ce cas, je commencerais donc par le filtre DM, comme un condensateur « X » à travers l'entrée CC. Il est probable que nous aurions également besoin d'une self CM ou au moins d'une inductance série dans la ligne +DC.

Figure 7. Le DM (violet) et le CM (aqua) sont clairement observés, le jaune étant le bruit de fond ambiant de la mesure. Image : Kenneth Wyatt

Étant capables de voir la différence entre DM et CM EMI, nous pouvons spécifier les bons composants de filtre.

Méthode EMScope

L'EMScope (Figure 8)est un instrument tout-en-un qui contient deux LISN de 50 µH et un analyseur de spectre qui couvre 9 kHz à 30 MHz (une option s'étend jusqu'à 110 MHz) et peut afficher les émissions conduites (Line-Gnd, Neutral-Gnd), DM ou CM EMI, ou une combinaison des quatre sur un seul écran. Il dispose également de détecteurs de crête, de quasi-crête et de moyenne et peut afficher n'importe quelle combinaison ou les trois ensemble. EMScope étant un analyseur FFT en temps réel, les balayages sont rapides, avec des mises à jour de toutes les traces affichées toutes les secondes environ.

Figure 8. EMZER EMScope connecté à un ordinateur portable Apple. L'interface utilisateur Web permet la connexion à n'importe quel PC ou Mac. Image : Kenneth Wyatt

Figure 9 montre les tracés DM et CM résultants d'une ancienne ampoule Utilitech LED 60 W (équivalent) par rapport à la norme CISPR 15 EMC pour les luminaires. Cela échoue gravement.

Figure 9. Les tracés DM (vert) et CM (bleu) d'une ancienne ampoule LED Utilitech par rapport aux limites de la norme CISPR 15 EMC pour les luminaires. Image : Kenneth Wyatt

J'apprécie la simplicité et la polyvalence d'EMScope et le fait qu'il puisse être utilisé avec n'importe quel navigateur Web.

Kit de filtre de ligne électrique

Je terminerai cet article en mentionnant l'un de mes kits préférés de Würth Elektronik : le « Design Your Filter Kit », numéro 744998 (Figure 10). Ce kit peut vous aider à concevoir des filtres EMI pour les applications DC ou AC. Le manuel d'instructions inclus permet de sélectionner le bon composant en fonction des tracés DM ou CM mesurés à l'aide des trois méthodes ci-dessus.

Figure 10. Le Würth Elektronik 744998 « Concevez votre kit de filtre » accélère la sélection des composants de filtre appropriés, en fonction des émissions de DM ou de CM non filtrées. Image : Würth Elektronik

Résumé

Bien que les sondes de courant RF soient quelque peu coûteuses, elles sont également les plus faciles à utiliser pour séparer les EMI DM et CM. Le Tekbox LISN Mate serait utile si vous configurez un banc de test spécifiquement pour mesurer les émissions de l'alimentation électrique. Une fois mis en place, les mesures sont relativement rapides.

J'aime la polyvalence de l'EMScope et, à moins de 10 XNUMX $, ce serait un ajout précieux à votre banc de test. Il affichera non seulement DM et CM EMI, mais aussi les émissions conventionnelles linéaires et conduites neutres, avec détection de crête, quasi-crête ou moyenne, le tout affiché en même temps ou en combinaisons. Ainsi, il fonctionne bien pour les tests de pré-conformité ou même de conformité, ainsi que d'aider à la conception des filtres.