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5e année Electronique & Systèmes Embarqués
Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome
Essais CEM
Caractérisation d’un système embarqué autonome 1
Essais CEM
Alexandre Boyer
www.alexandre-boyer.fr
Objectifs du TP
Réaliser des tests CEM et radio typiques sur des équipements électroniques (selon les standards applicables)
Se familiariser avec le matériel de mesure et leurs configurations
Caractérisation d’un système embarqué autonome 2
leurs configurations
Evaluer et analyser l’influence de choix de conception (composants, placement & routage) sur la CEM
Directives européennes pour les produits électriques/électroniques
Contexte
RED 2014/53/UE : Pour les équipements radio
CEM 2014/30/UE : CEM des produits électroniques et électriques
BT 2014/35/UE : sécurité électrique des produits électriques et électroniques (1000 V AC et 1500 V DC)
RoHS 2011/65/UE : Limitation des substances dangereuses
Lien avec les interférences électromagnétiques
Caractérisation d’un système embarqué autonome 3 janvier 18
RoHS 2011/65/UE : Limitation des substances dangereuses
DEEE 2012/19/UE : Gestion des déchets électriques et électroniques
Directive européenne CEM
Contexte
La directive européenne 2014/30/UE (2016) exige que tous les “appareils électriques” placés sur le marché européen :
Ne produisent pas d’interférences électromagnétiques capables de perturber les équipements radio ou télécom, ainsi que le fonctionnement normal des équipements
Aient un niveau d’immunité suffisants aux interférences électromagnétiques afin d’éviter toute dégradation du fonctionnement normal.
Caractérisation d’un système embarqué autonome 4 janvier 18
afin d’éviter toute dégradation du fonctionnement normal.
Marquage CE
Tous les fabricants d’”appareils électriques” doivent certifier que la directive est supposée respectée en délivrant un certificat de conformité et en plaçant le marquage CE.
Utilisation recommandée de standards harmonisés adaptés au produit pour vérifier la supposition de conformité à la directive.
Directive européenne RED
Contexte
La directive européenne 2014/53/UE (2016) Radio Equipment Directive s’appliquant à tout équipement radioélectrique émettant sur la bande 0 Hz –3000 GHz remplace la directive CE (ainsi que la directive Low voltage sur les risques pour la sécurité et la santé des utilisateurs).
Elle exige que les équipements radioélectriques placés sur le marché européen :
Respecte les contraintes de sécurité pour les personnes imposées par la directive Low Voltage (2014/35/UE) (notamment les limites de rayonnement
Caractérisation d’un système embarqué autonome 5 janvier 18
directive Low Voltage (2014/35/UE) (notamment les limites de rayonnement EM) et les contraintes de protection CEM imposées par la directive 2014/30/UE.
Les équipements radio utilise les ressources spectrales allouées pour les communications terrestres et spatiales de manière à éviter toute interférence
Marquage prévu :
Obligatoire pour tous les équipements concernés par
la directive RED
Signe d’alerte obligatoire pour les
équipements classe 2Notified Body
number
• United States Federal Communications Commission (FCC)
• Canada: Industrie Canada (IC)
• Japan : Voluntary Control Council for Interference by Information Technology Equipment (VCCI)
• China : China Compulsory Product Certification (CCC)
• Australia – New-Zeland : Australian Communications Authority (ACA)
Hors de l’Union Européenne?
Contexte
Caractérisation d’un système embarqué autonome 6 January 18
• Taïwan : Bureau of Standards, Metrology and Inspection (BSMI) and National Communications Commission (NCC)
• Russia : GOST (State Committee for Quality Control and Standardization ...
Regulatory approches of EMC in every countries.
Non harmonized regulation between countries, except if Mutual Recognition Agreements (MRA) exists.
Face avant
Analyseur de spectre
Frequency adjustment : Start,
stop , center
RBW – frequency
resolution, noise
Y= power (dBm,
dBµV)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 7 January 18
Amplitude adjustment :
Level reference,
dynamic.
resolution, noise
floor reduction
VBW – smooth
display
50 Ohm input
X= frequency
Mesures d’émission requiert une forte sensibilité
Principe
Analyseur de spectre
Réception superhétérodyne
IN
fFrf1
LO
Signal entrée
Oscillateur local
Signal de sortieMixer
Filtre IF
Frf2
OUT
fFrf1-Flo=Fif
Frf1+Flo Frf2+FloF -F
A1
A2
Caractérisation d’un système embarqué autonome 8 janvier 18
( ) ( )tttt lorflorflorf ωωωωωω −++=× 111 cos2
1cos
2
1coscos
LO
fFlo
ωifOUT
fFif
Filtre IF
A1
No
RBWP1 = ½.A1²+No.RBW
Puissance détectée:
Frf1-Flo=FifFrf1+Flo Frf2+FloFrf2-Flo
P1
Affichage analyseur
de spectre
Frf1
Principe
Analyseur de spectre
Réception superhétérodyne
IN
fFrf1
LO
Signal entrée
Oscillateur local
Signal de sortieMixer
Filtre IF
Frf2
OUT
fFrf2-Flo=Fif Frf1+Flo Frf2+FloF -F
A1
A2
Caractérisation d’un système embarqué autonome 9 janvier 18
( ) ( )tttt lorflorflorf ωωωωωω −++=× 222 cos2
1cos
2
1coscos
LO
fFlo
ωifOUT
fFif
Filtre IF
A2
No
RBWP2 = ½.A2²+No.RBW
Puissance détectée:
Frf2-Flo=Fif Frf1+Flo Frf2+FloFrf1-Flo
P1
Affichage analyseur
de spectre
Frf1 Frf2
P2
Schéma-bloc
Analyseur de spectre
Attenuator
DC blocking
Low
pass
filter
Gain
IF
IF filter
Analog
filter
Gain
log
Video
filter
MixersEnvelope
detector
Input signal
RBWVBW
DetectorAttenuation
Caractérisation d’un système embarqué autonome 10 janvier 18
Local
oscillator
Reference
oscillator
Frequency
sweep
Display
Fstart / Fstop
Fcenter / SpanPoint number
Unités
Analyseur de spectre
( ) ( )
==
0
1log10log10P
PxdBX( ) ( )
==
0
1log20log20V
VxdBX
Exemples :
2001 10
X
VV ×= 1001 10
X
PP ×=
Tension, courant, champ électrique, magnétique Puissance
Caractérisation d’un système embarqué autonome 11 janvier 18
( ) 20 log1
VV dBV
V
= ×
Exemples :
( )
×=
W
PdBWP
1log10
1
0.1
0.01
0.001
10
100
1000
Volts
0
-20
-40
-60
20
40
60
dBV
1
0.1
0.01
0.001
10
100
1000
Watts
0
-10
-20
-30
10
20
30
dBW
Unités
Analyseur de spectre
En CEM, les mesures sont généralement faites en tension et exprimées en dBµV, ou en puissance sur 50 Ω et exprimées en dBm.
( ) ( )
( ) ( ) ( )( ) ( ) 120120log2010
log20
1log20
6+=+=
×=
×=
− dBVVVVV
VVdBµVV
µV
µVVdBµVV ( ) ( )
( ) ( ) ( )( ) ( ) 3030log1010
log10
1log10
3+=+=
×=
×=
− dBWPWPW
WPdBmP
mW
mWPdBmP
Volts dBµV mW dBm
Caractérisation d’un système embarqué autonome 12 janvier 18
1
0.1
0.01
0.001 60
40
20
0
80
100
120
1
0.1
0.01
0.001
10
100
1000
0
-10
-20
-30
10
20
30
0.0001
0.00001
0.000001
Exercice
Analyseur de spectre
Faites une mesure en dBµV puis en dBm
Calculez les valeurs en V et en W
Vérifiez que les deux valeurs mesurées correspondent
Caractérisation d’un système embarqué autonome 13 janvier 18
Tests CEM sur produit radio
Caractérisation d’un système embarqué autonome 14 janvier 18
produit radio
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Gateway LoRa – USB
Basé sur le transceiver LoRa SemtechSX1272
Modulation à étalement de spectre ChirpSpread Spectrum
Emission périodique (5 secondes) de trames à 868.1 MHz Batterie
Antenne dipôle
Module LoRa
Caractérisation d’un système embarqué autonome
Bande passante = 125 kHz, puissance d’émission max. = 10 dBm, antenne externe de gain = 0.5 dBi
Module certifié CE/FCC (conforme selon ETSI EN 300220 – 1)
15
Gateway
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Standard harmonisé ETSI EN 300220 – 1 :
S’applique à la catégorie « Non-specific short-range device », fonctionnant sur les bandes de fréquence données ci-dessous (bandes dites ISM) :
Caractérisation d’un système embarqué autonome 16
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Paramètres techniques des équipements « Non-specific short-range device » sur la bande 868 MHz (EC 213/752/EU) :
Caractérisation d’un système embarqué autonome 17
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Exigences radio typiques pour un émetteur-récepteur :
Puissance de sortie ou Puissance Isotrope
Rayonnée Equivalente (PIRE)
Stabilité en fréquence, erreur en fréquence
Bande passante occupée
Emission sur bande adjacente et spurious
Duty cycle
P
Conforme
Non conforme
Caractérisation d’un système embarqué autonome 18
Duty cycle
Puissance transitoire (émission hors bande lors
de l’activation/désactivation)
Sensibilité radio
Immunité aux interférences, blocking, spurious
rejection, sélectivité (interférence in ou out-band)
…
A vérifier dans les conditions extrêmes de tension d’alimentation et de température
Exigences CEM usuels sur produits électroniques à ajouter (émission / immunité)
f
Gabarit radio
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Essais proposés par ETSI EN300 220-1 :
A faire au moins sur 3 fréquences émetteur (min, max et centrale)
A faire avec tension d’alimentation nominale et dégradée (x0.9 et x1.3)
Caractérisation d’un système embarqué autonome
dégradée (x0.9 et x1.3)
A faire à température ambiante (15 – 35°c) et extrême (-20°c à 55 °c pour le cas général)
19
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 1 : Vérification de la fréquence de fonctionnement (Operating frequency) : centre de la bande occupée
Test conduit ou rayonné
Caractérisation d’un système embarqué autonome 20
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 2a : Vérification de la puissance d’émission maximale
exprimée en Effective Radiated Power (dBd)
Span et RBW > bande occupée
Test 2b : Vérification de la densité spectrale de puissance maximale
exprimée en Effective Radiated Power par Hertz (dBd/Hz)
Span > bande occupée, RBW = VBW = 100 kHz
Caractérisation d’un système embarqué autonome 21
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 3 : Bande passante occupée (OBW)
Plage de fréquence contenant 99% de la puissance du signal
Fréquence centrale analyseur = fréquence centrale de la bande, span > 2x OBW théorique
RBW = 1 à 3% OBW théorique, mais > 100 Hz
VBW = 3x RBW
Caractérisation d’un système embarqué autonome 22
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 4 : Duty cycle
Pourcentage du temps pendant lequel le produit émet sur la bande OCW
Comment réaliser une mesure temporelle avec un analyseur de spectre ?
Caractérisation d’un système embarqué autonome 23
avec un analyseur de spectre ?
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 5 : Emission hors bande (out-of-band)
Out-of-band domain: bande de fréquence adjacente au canal utilisé pour l’émission radio. Deux définitions :
Caractérisation d’un système embarqué autonome 24
Out-of-band domain(% canal utilisé)
Out-of-band domain (% bande de fréquence allouée)
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 5 : Emission hors bande (spurious)
spurious domain: bandes de fréquence autre que celles du domaine out-of-band
Caractérisation d’un système embarqué autonome 25
Spurious domain Spurious domain
(RBW = 100 kHz) (RBW = 1 MHz)
Conformité radio d’un émetteur-récepteur LoRa
Tests CEM sur produit radio
Test 6 : Mesure puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE)
L’émission rayonnée d’un émetteur dépend non seulement de la puissance électrique disponible en sortie, mais aussi du gain de l’antenne émettrice.
Le gain d’une antenne représente le rapport entre la puissance rayonnée par cette antenne dans une direction sur la puissance que rayonnerait une antenne isotrope sans pertes excitée avec la même puissance électrique. Le gain d’une antenne isotrope = 1 (0 dB).
La PIRE d’une antenne représente donc la puissance électrique à fournir à une antenne isotrope sans pertes pour qu’elle rayonne la même puissance.
Caractérisation d’un système embarqué autonome 26
Antenne de réception (calibré)
Récepteur de mesure
Puissance électrique
reçue PR
Gain GR
Equipement sous test
Gain GE
Puissance électrique
émetteur PE
Séparation d
En condition espace libre et champ
lointain, la formule de Friis s’applique :
22.
4
.
4
..
=
=
c
fd
GPIRE
d
GGPP RREE
R
πλ
π
( ) ( ) 6.27log20log20 +−−+= mMHzdBRdBmdBmR dfGPIREP
Tests CEM sur produit électronique (alimentation à
Caractérisation d’un système embarqué autonome 27 janvier 18
électronique (alimentation à découpage)
Objectifs des tests
Tests CEM sur produit électronique
Equipement sous testSignaux
Emission conduite
Emission conduite
Emission rayonnée
Immunité conduite RF
Immunité ESD
EFT
Caractérisation d’un système embarqué autonome
Vérifier la faible émission conduite sur les interfaces (alimentation, signaux)
Vérifier la faible émission rayonnée par l’équipement et ses câbles
Vérifier l’immunité aux perturbations RF (harmonique ou modulé AM) conduites sur les interfaces
Vérifier l’immunité aux perturbations RF (harmonique ou modulé AM) rayonnées
Vérifier l’immunité aux perturbations transitoires conduites sur les interfaces (ESD, burst d’EFT, surge, voltage dips …)
Immunité rayonnée RF
ESD
Présentation du cas d’étude
Tests CEM sur alimentation à découpage
Alimentation à découpage dévolteur 12 V 5 V, charge de sortie = 4.7 Ω.
Basé sur le contrôleur Linear TechnologyLT3800
Fréquence de commutation = 200 kHz
Carte 70 x 50 mm 2 couches
V V
Caractérisation d’un système embarqué autonome
29
+ L
D
Vreg
VBAT
0 V
SW
Vss
Q1
Q2
Contrôleur
Vss
CdeQ1
CdeQ2
High side
Low side
VBAT FILT
2 condensateurs aluminium 100 µF 2 condensateurs
tantale 100 µF + céramique 22 µF
Présentation du cas d’étude – Schéma électrique
Tests CEM sur alimentation à découpage
Caractérisation d’un système embarqué autonome
Caractérisation électrique initiale
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure tension VREG : ripple d’amplitude pic-à-pic de 80 mV et bruit HF
Mesure VBAT : ripple d’amplitude pic-à-pic de 2.1 V et bruit HF
VREG
Caractérisation d’un système embarqué autonome 31
VBAT
Caractérisation CEM initiale
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesures d’émission conduite (LISN, pince sur câble d’alimentation), et rayonnée typique des tests sur équipements électroniques embarqués (CISPR25 automobile et DO160 aéronautique)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 32
Réseau stabilisateur d’impédance en ligne (RSIL)
Tests CEM sur alimentation à découpage
Besoin : mesurer les tensions HF induites sur les différents fil d’un câble d’alimentation (DC ou AC) par les courants de MD et MC
Problème : la tension mesurée dépend de l’impédance vue depuis le câble, qui varie fortement en fonction de la fréquence.
Objectifs du RSIL : Fixer l’impédance vue depuis le câble d’alimentation (Artificial Main Network) Fournir des points de mesure en tension de l’émission conduite sur les
différents fil de l’alimentation
Caractérisation d’un système embarqué autonome 33
différents fil de l’alimentation Filtrer le bruit entre l’EUT et le réseau de distribution électrique
EUT
Ground, earth
AC mains /
Battery
AC or DC power supply
cable
Phase or ‘+’ conductor
Phase or ‘-’ conductorVRF1 V
RF2
IRF1
IRF2 EUT
Ground, earth
AC mains / Battery
AC or DC power supply cableVRF1
VRF2
IRF1
IRF2
LISN
50 Ω measurement receiver
Réseau stabilisateur d’impédance en ligne (RSIL)
Tests CEM sur alimentation à découpage
Schéma d’un RSIL pour des mesures de pré qualification CEM sur cartes alimentées en DC (RSIL 5 µH/50 Ω défini dans CISPR25)
Schéma électrique par phase :
EUT Batterie
Caractérisation d’un système embarqué autonome 34
Phase+ EUT
Phase- EUT
Phase+ Batterie
Phase- Batterie
Châssis Châssis
Mesure Phase-
Mesure Phase+
Réseau stabilisateur d’impédance en ligne (RSIL)
Tests CEM sur alimentation à découpage
Caractéristiques : 100 V max, 10 A DC max Impédance par phase :
Caractérisation d’un système embarqué autonome 35
Pince de mesure de courant – Courant de mode commun
Tests CEM sur alimentation à découpage
Récepteur
I1
VmesRécepteur
I1
Vmes
I2
Transducteur courant tension (couplage magnétique) Outil de diagnostic câble
1IZV Tmes =( )321 IIIZV Tmes −+=
Caractérisation d’un système embarqué autonome 36
I3
Exemple : impédance de transfert de la pince TESEQ MD4070 :
Pince de mesure de courant – Courant de mode commun
Tests CEM sur alimentation à découpage
Dans une paire de fil, le courant “utile” est de mode différentiel Le courant de mode commun est créé par la perte de symétrie et
lorsque le chemin de retour de courant est mal défini.
Interco 1
I1
I2
1 Id
Id
Mode
différentiel
si I1 ≠ I2Rayonnement
limité
Caractérisation d’un système embarqué autonome 37
Interco 2
I2
2
1
2
Ic
Ic
Décomposition en
deux modes
distincts
Mode
commun
21
21
2
III
III
C
D
+=
−=
DC
DC
II
I
II
I
−=
+=
2
2
2
1
Fort rayonnement !
Pince de mesure de courant – Courant de mode commun
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure des courants de mode différentiel et de mode commun avec une pince de courant :
I1
I2
Current probe
ICM = I1+I2
common-mode current
I1
I2
Current probe
2xIDM = I1-I2
differential-mode current
Exemple : mesure des courants de mode diff (IDM) et de mode commun
Caractérisation d’un système embarqué autonome 38
Exemple : mesure des courants de mode diff (IDM) et de mode commun (ICM) sur le câble d’alimentation d’un convertisseur DC-DC
Caractérisation CEM initiale
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure d’émission conduite en tension (LISN):
Dépassement généralisé entre 200 kHz et 100 MHz
Pic autour de entre 22 MHz (dépassement de 25 dB)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 39
Caractérisation CEM initiale
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure d’émission conduite en courant de mode commun:
Pics autour de 22 MHz, 35 MHz et 130 MHz (résonances câbles)
Risque de rayonnement du câble
Caractérisation d’un système embarqué autonome 40
Caractérisation CEM initiale
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure d’émission rayonnée :
Dépassement généralisé entre 15 et 200 MHz
Rayonnement autour de plusieurs pics (notamment 22 MHz)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 41
Changement des composants de filtrage
Tests CEM sur alimentation à découpage
Remplacement des condensateurs aluminium par des condensateurs tantale dite « à faible ESR » (même valeur 100 µF, même gamme de tension 25 V, même boîtier) : 260 mΩ vs. 80 mΩ
Caractérisation d’un système embarqué autonome 42
Profil d’impédance normal
pour un condensateur ?
Changement des composants de filtrage
Tests CEM sur alimentation à découpage
Ajout d’un condensateur céramique X7R 22 µF (boîtier CMS1210) comme filtrage d’entrée
Caractérisation d’un système embarqué autonome 43
Changement des composants de filtrage
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure tension VREG : ripple d’amplitude pic-à-pic de 88 mV et bruit HF
Mesure VBAT : ripple d’amplitude pic-à-pic de 290 mV et bruit HF
VREG
Caractérisation d’un système embarqué autonome 44
VBAT
Ajout d’un filtre CEM en entrée
Tests CEM sur alimentation à découpage
Rôle d’un filtre : supprimer les émissions conduites pouvant se propager sur les câbles (alimentation et signaux)
Comportement du filtre : passe-bas (filtrage du contenu HF)
Source Filtre
Vers la
Câble
… …
Connecteur
…
Caractérisation d’un système embarqué autonome 45
Vers la charge
gnd « Masse propre »
Composants usuels d’un filtre
Condensateur, inductance, ferrite, inductance de mode commun
Suppresseur de transitoire (TVS, varistor)
… …
…
Ajout d’un filtre CEM en entrée
Tests CEM sur alimentation à découpage
ZS
ZL
(a)
LZL
ZS
C
(b)
ZS
ZL
(c)
L ZL
ZS
C
(d)
Parmi ces 8 structures de filtre, lesquelles correspondent à des filtres CEM
Pour quelles conditions
Caractérisation d’un système embarqué autonome 46
ZS
ZL
(e)
L C
ZS
ZL
(f)
LC
ZS
ZL
(g)
L CC
ZS
ZL
(h) L
C
L
Pour quelles conditions d’impédance fonctionnent-ils de manière optimale ?
Lequel ou lesquels sont les plus efficaces ?
Ajout d’un filtre CEM en entrée
Tests CEM sur alimentation à découpage
Comparaison structure du filtre (CLC, CL, L)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 47
-60 dB/dec
-40 dB/dec
-20 dB/dec
Ajout d’un filtre CEM en entrée
Tests CEM sur alimentation à découpage
Ajout d’un filtre CLC (22 µH + 100 nF)
Caractérisation d’un système embarqué autonome 48
Ajout d’un filtre CEM en entrée
Tests CEM sur alimentation à découpage
Remplacement par un filtre L série (22 µH)? Pourquoi s’avère t-il plus performant que le filtre CLC ?
Caractérisation d’un système embarqué autonome 49
Ajout d’un anneau de ferrite
Tests CEM sur alimentation à découpage
Ajout d’un anneau de ferrite (Wurth 742716) sur le câble d’alimentation (à 5 cm de l’équipement sous test)
Réduction significative du courant de mode commun au-dessus de 10 MHz
Caractérisation d’un système embarqué autonome 50
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
VBAT
Circulation des courants HF ?
Signaux à forts dV/dt ?
Couplages parasites ?
Contrôleur High side
Caractérisation d’un système embarqué autonome 51
51
+ L
D
Out_reg
0 V
SW
Vss
Q1
Q2
Filtr
e C
EM Contrôleur
Vss
CdeQ1
CdeQ2
High side
Low side
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
+ L
Out_reg
VBAT
SW
Q1
Filtr
e C
EM Contrôleur
CdeQ1+
Couplage local
électrique / magnétique
Caractérisation d’un système embarqué autonome 52
52
D
Vss
Q2
Filtr
e C
EM
Vss
CdeQ2
Charge
Courant DC
Courant HF
Pistes à fort dv/dt
Impédance plan gnd couplage
par impédance commune
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
+ L
SW
Q1
Analyse boucle découplage d’entrée – MOSFET – diode Schottky lorsque Q1 devient passant (Q2 se bloque) :
ContrôleurCdeQ1
VBA
T
Cin ESL Cin
LPCB_Vbat
RONC_Q1
L
Modèle électrique équivalent HF
Caractérisation d’un système embarqué autonome 53
53
DQ2
Vss
CdeQ2CQ2+D
LQ2+D
Deux conséquences :
1. Circuit LC parallèle excité par le courant transitoire appelé lors de la commutation de Q1 oscillation créée sur SW et conduite sur Vbatavec fréquence HF (10 – 100 MHz)
2. Antenne boucle excitée par un courant HF source de rayonnement.
ESR Cin
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
Le placement des composants doit réduire la surface de la boucle résonante pour stabiliser la tension de sortie, réduire l’émission conduite et
rayonnée
Réduire la surface de la boucle résonante diminution de l’inductance parasite, décalage de la fréquence de résonance, réduction de l’antenne boucle.
Placer les condensateurs de découplage d’entrée au plus près des
Caractérisation d’un système embarqué autonome 54
Placer les condensateurs de découplage d’entrée au plus près des MOSFET et de la diode Schottky
Réduire l’inductance parasite des pistes (élargissement des pistes, éviter les via, mise en parallèle de via)
Créer la boucle résonante dans le volume de la carte
Placement d’un plan de masse en couche inférieure réduction de l’inductance et compensation du champ magnétique
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
Placer les condensateurs HF au plus près du convertisseur, éloigner les condensateurs bulk , placer le filtre CEM au plus près du connecteur
d’entrée
Privilégier des condensateurs à faible ESR (céramique pour le découplage d’entrée)
Placer les condensateurs HF au plus près du convertisseur, en évitant les via (ajout d’une inductance parasite de 0.7 nH)
Profiter de l’inductance de piste entre condensateurs du filtre et de découplage pour
Caractérisation d’un système embarqué autonome 55
Profiter de l’inductance de piste entre condensateurs du filtre et de découplage pour former un filtre en pi
Prendre tension d’alim du contrôleur avant le filtre
+ Q1
Q2
VBAT
CinCfilter
Cbulk Céramique
(100nF-1uF)Tantale, alu.
(100 uF)
Céramique
(1-10 nF)
Découplage d’entrée
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
La surface de la piste SW doit être minimiser pour limiter le rayonnement de mode commun
La piste SW constitue une antenne électrique et injecte du courant de mode commun.
Réduire sa surface en jouant sur les
Caractérisation d’un système embarqué autonome 56
Réduire sa surface en jouant sur les pads des MOSFET, Schottky et inductance, ainsi que sur les pistes
Compromis avec la dissipation thermique
Placer un plan de masse sous SW
K. Kam, Analysis and Mitigation Techniques for Broadband EMI from Synchronous Buck Converter, IEEE, 2012.
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
Récupérer la tension régulée après le filtre
Eloigner les condensateurs de découplage d’entrée des condensateurs de filtrage de sortie (risque de couplage magnétique entre l’entrée et la sortie du régulateur).
Minimiser les interconnexions reliant les condensateurs de filtrage entre la ligne à filtrer et la ligne de référence
INCORRECT
Caractérisation d’un système embarqué autonome 57
Via Plan GND
Via Plan GND
C1C2
INCORRECT
Via Plan GND
C1C2
CORRECT
Règle générale : piste PCB 0.5 à 1 nH/mm
Amélioration du routage – Quelques règles
Tests CEM sur alimentation à découpage
Plan de masse :
Plan continu, faible impédance, maîtrise des chemins de retour de courant.
Réduire les connexions à la masse des composants
Séparation entre les parties basse et SGND PGND
Exemple : connexion des broches SGND et
PGND d’un contrôleur d’alimentation à
découpage
Caractérisation d’un système embarqué autonome 58
Séparation entre les parties basse et haute tension :
Routage sur des ilots raccordés en un point « propre »
S’assurer que les chemins de retour de courant de la partie puissance ne circulent pas sur la masse faible tension
Exposed pad : vérifier la connexion de masse en interne
Exposed pad
SGNDSGND
PGND
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Couche Top
SW
VBAT
Vbat_filt
Caractérisation d’un système embarqué autonome 59
SW
VREG
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Couche Bottom
GND
Caractérisation d’un système embarqué autonome 60
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Caractérisation d’un système embarqué autonome 61
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Classement des nœuds en fonction de leur émissivité (1/2)
Nom du nœud Description Emissivité (0, +, ++)
Sensibilité (0, +, ++)
Vbat Entrée 12 V (avant filtre CEM)
Vbat_filt Entrée 12 V (après filtre CEM)
SW Jonction MOSFET – inductance
TG Contrôle grille high side MOSFET
Caractérisation d’un système embarqué autonome 62
TG Contrôle grille high side MOSFET
BG Contrôle grille low side MOSFET
Boost Alim bootstrap high side MOSFET
VCC Sortie régulateur interne
PGND Ground ref. fort courant
SGND Ground ref. faibles signaux
Vin Alimentation convetisseur (régu. Lin.)
Sense+/Sense- Entrée + et – mesure courant
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Classement des nœuds en fonction de leur émissivité (2/2)
Nom du nœud Description Emissivité (0, +, ++)
Sensibilité (0, +, ++)
VREG Sortie régulée
VFB Entrée mesure tension de sortie
VC, Sortie ampli. d’erreur
SHDN, CSS, Signaux de contrôle
Caractérisation d’un système embarqué autonome 63
SHDN, CSS, BURST_EN
Signaux de contrôle
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Lister les erreurs de routage de la version initiale
Caractérisation d’un système embarqué autonome 64
Amélioration du routage – Analyse du routage initial
Tests CEM sur alimentation à découpage
Préconisation
Caractérisation d’un système embarqué autonome 65
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Tests CEM sur alimentation à découpage
VBAT
Vbat_filtGND
Pas de changement de la schématique, uniquement du routage
Couche Top
Caractérisation d’un système embarqué autonome 66
SW
VREG
GND
GND
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Tests CEM sur alimentation à découpage
Couche Bottom
GND
Caractérisation d’un système embarqué autonome 67
Tests CEM sur alimentation à découpage
Mesure tension VREG : ripple d’amplitude pic-à-pic de 48 mV et bruit HF
Mesure VBAT : ripple d’amplitude pic-à-pic de 360 mV et bruit HF
VREG
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Caractérisation d’un système embarqué autonome 68
VBAT
Tests CEM sur alimentation à découpage
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Mesure d’émission conduite en tension :
Plus de dépassement, plus de bruit conduit visible au-delà de 60 MHz
Décalage de la fréquence de résonance, de 22 MHz à 35 MHz
Filtre CLC plus performant que filtre L
Caractérisation d’un système embarqué autonome 69
Tests CEM sur alimentation à découpage
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Mesure d’émission conduite en courant :
Réduction efficace du courant commun (30 dB à la résonance), uniquement en jouant sur le placement-routage
Filtre CLC plus performant que filtre L
Caractérisation d’un système embarqué autonome 70
Tests CEM sur alimentation à découpage
Amélioration du routage – Nouvelle version du routage
Mesure d’émission rayonnée:
Réduction de 10 à 15 dB
Rôle majeur du placement routage et du filtre CEM
Caractérisation d’un système embarqué autonome 71
Evaluation
Quiz en ligne ouvert mercredi 10/01, de 18 à 20h
www.directquiz.fr
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10 questions, au moins une réponse juste à chaque question