Cet article traite des interférences électromagnétiques dans les alimentations électriques et comment les éliminer.
Ce texte est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les EMI (interférences électromagnétiques), également connues sous le nom d’interférences radiofréquences ou électromagnétiques, sont presque omniprésentes. Des sources naturelles telles que la foudre ou la radiation solaire en sont des exemples. Les radiations d’origine humaine affectent les équipements électriques; certaines, comme la radio, la télévision et le téléphone, sont intentionnelles. D’autres sources, comme la distribution de charge, les systèmes d’allumage des véhicules et les alimentations électriques, sont non intentionnelles.
En électronique, les EMI représentent des bruits indésirables causés par un champ électromagnétique pouvant affecter directement les performances des équipements, dégradant les performances, provoquant des dysfonctionnements ou empêchant même leur bon fonctionnement. Dans un environnement médical, cela peut avoir de sérieuses conséquences, telles que générer des mesures erronées dans les moniteurs de patients, impacter la qualité des images des équipements de radiographie et affecter les systèmes chirurgicaux critiques et leur fonctionnement.
Qu’est-ce qui rend les alimentations électriques bruyantes ?
Toute source de variation de tension ou de courant par rapport au temps entraînera des oscillations (bruits de commutation dus à des composants parasites lorsque les courants sont activés et désactivés). Les alimentations à découpage seront pleines de ces événements à chaque cycle de commutation, et toutes les pistes, points et composants sont des sources potentielles de bruit. Dans toute conception donnée, il y aura des boucles avec des montées et descentes rapides de courant et de tension (respectivement di/dt et haut dv/dt). La Figure 1, par exemple, identifie les zones potentielles de haut di/dt dans un convertisseur isolé forward, tandis que la Figure 2 montre les zones possibles de haut dv/dt dans la même conception.
Avec des di/dt et dv/dt aussi élevés, il est facile de générer des courants en mode commun et des pics de tension importants pouvant atteindre plusieurs volts, entraînant des rebonds de masse et des EMI. Un autre exemple serait un FET passant de Vds de 200 V en 40 ns, égalant un dv/dt de 5 milliards de volts par seconde.
Concevoir pour minimiser les émissions
Il est pratiquement impossible d’éliminer complètement les EMI, mais pour les alimentations médicales, ce défi est encore plus grand. Par exemple, les EMI conduites sont généralement réduites en augmentant la capacitance de type Y à l’entrée de l’alimentation. Cependant, une capacitance Y accrue augmente également le courant de fuite, une spécification critique de sécurité pour la conformité IEC 60601-1-2, tout comme la protection des patients et des opérateurs d’équipements.
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Concevoir des alimentations pour une bonne performance EMI n’est pas impossible. Avec les connaissances et l’expérience adéquates, limiter les EMI peut être abordé dès la phase de conception du projet. Cela inclut une forte concentration sur la conception et la disposition du PCB, car il joue un rôle significatif dans les émissions. Le premier objectif est d’éliminer, ou du moins de minimiser, les émissions provenant des sources des générateurs. Il est important de considérer que les récepteurs ré-émettent également, donc minimiser la susceptibilité des récepteurs est aussi nécessaire. De plus, il est important d’incorporer une conception de filtre EMI, idéalement, tout en gardant les filtres aussi petits que possible, en particulier pour les équipements médicaux mobiles et portables.
La disposition du PCB est souvent la moins comprise lorsqu’il s’agit de concevoir pour les EMI. Voici quelques points à garder à l’esprit :
- Minimiser les surfaces de boucle
- Ne laisser aucune partie flottante, en s’assurant que toutes les boucles sont ramenées à la terre
- Maintenir les connexions de signal et de terre de puissance séparées
Cela ajoute de la complexité à la conception du PCB, en particulier lorsque l’on souhaite économiser des couches sur les PCB multicouches tout en gardant les terres de signal et de puissance séparées, en maintenant les terres d’entrée et de sortie séparées, et en minimisant les distances entre les composants. Les schémas de mise à la terre ont été conçus pour des raisons de sécurité et non pour les EMI, donc l’utilisation de plans de masse et de connexions courtes est vitale.
Comprendre les composants pour la fréquence
La difficulté à laquelle sont confrontés les concepteurs d’alimentations est que les performances EMI ne sont généralement pas caractérisées par le fabricant de composants. Cependant, comprendre les composants est essentiel pour savoir comment ils se comporteront dans un sous-système en ce qui concerne les émissions. Les condensateurs, les résistances bobinées et même les fils varieront dans leur comportement en fonction de la fréquence. Cela est valable pour le type de condensateurs utilisés, car les condensateurs en tantale se comportent différemment des condensateurs céramiques. De plus, les composants parasites, ESR (résistance série équivalente), ESL (inductance série équivalente), capacité et fuite joueront tous leur rôle, donc connaître et quantifier ces éléments est essentiel pour comprendre les EMI.
La plupart des composants CEM sont invisibles sur le schéma circuit, car ils sont soit diffus soit parasites, donc une attention particulière doit être portée pour s’assurer que tout est fait selon des principes solides EMI/RF.
Concevoir pour une marge EMI
Tester l’alimentation pour la conformité à diverses limites ne garantit pas qu’elle passera lorsqu’elle sera installée dans un système. L’alimentation est une partie active du système, qui affectera l’électronique du système et peut être affectée par d’autres sources de bruit. Sélectionner une alimentation avec de bonnes performances d’émissions et d’immunité permettra d’économiser beaucoup de défis de conformité système plus tard dans le développement.
Des alimentations à faibles émissions peuvent être produites si elles sont conçues en tenant compte des EMI dès le début. Par exemple, la famille NGB des alimentations à cadre ouvert certifiées médicalement d’Advanced Energy a été spécifiquement conçue pour des performances EMI exceptionnelles avec des émissions conduites et rayonnées réduites, simplifiant la conformité EMI du système.
Figure 3. La série NGB425 d’Advanced Energy. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Comme le montre la Figure 4, la NGB425, alimentation AC/DC de 425 W, délivre des émissions conduites de Classe B avec 6 dB de marge et des émissions rayonnées avec 3 dB de marge.
La NGB425 répond à une gamme de spécifications d’immunité correspondant aux critères A (aucun impact sur les performances), y compris :
- EN61000-4-2 Immunité aux décharges électrostatiques, Niveau 4, 8 kV contact, 15 kV air
- EN61000-4-3 Champs EM RF rayonnés Susceptibilité 10 V/m
- EN61000-4-4 Transitoires électriques rapides / Rafales, Niveau 4, 4 kV
- EN61000-4-5 Surtension, Niveau 4, 4 kV de ligne à terre
- EN61000-4-6 Perturbations conduites induites par des champs RF, Niveau 4
- EN61000-4-8 Test de champs magnétiques de fréquence d’alimentation, Niveau 4
- EN61000-4-11 Creux de tension
De plus, l’alimentation est certifiée conforme à la norme IEC60601-1, troisième édition, avec 2 x MOPP, avec des entrées de Classe I et Classe II.
Il existe plusieurs autres causes de mauvaises performances de bruit du système, y compris :
- Dé-couplage insuffisant sur le PCB ou la charge
- Mauvaise mise à la terre du système
- Mauvaise connexion de câblage ou terminaisons de câbles défectueuses
Quelques étapes simples peuvent éliminer, réduire ou identifier les causes du bruit à haute fréquence :
- Déterminer si le bruit est conduit ou rayonné. Si le changement de position de l’alimentation ou le blindage améliore les performances, le bruit est probablement rayonné.
- Faire les connexions de masse (zéro volt) au point le plus proche du châssis
- Torsader toutes les paires de câbles de puissance et de détection séparément
Une hypothèse courante est que les émissions EMI sont maximales en conditions de pleine charge ou sur une certaine plage de tension de ligne AC. En réalité, en fonction de la topologie de l’alimentation, les émissions peuvent varier considérablement en fonction de la tension de ligne et de la plage de charge. Dans certains cas, les performances à faible charge peuvent être sensiblement pires qu’en pleine charge et la basse ou haute tension de ligne peut être pire que l’autre. Des recommandations sont faites sur les conditions de charge et de ligne pour effectuer les tests de vérification, garantissant une évaluation correcte et complète tout en minimisant les tests nécessaires pour atteindre un niveau de confiance élevé de conformité.
Figure 4. Tracés EMI conduits et rayonnés pour NGB425. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
De la même manière que les concepteurs d’alimentations doivent s’assurer que les sources de rayonnement sont réduites au minimum, les concepteurs de systèmes doivent s’assurer que le système global a des performances optimales une fois entièrement intégré. Les arrangements de câblage et les tracés de PCB sont les facteurs les plus contributifs aux performances CEM au niveau système.
Électronique bruyante dans les équipements médicaux
Les alimentations sont des composants de sécurité critiques dans les équipements médicaux et sont, par leur nature, des composants « bruyants ». Cependant, choisir un fabricant d’alimentations qui a conçu une marge EMI dans ses produits, couplée à des performances éprouvées et à une expérience dans les applications médicales, peut aider les concepteurs de systèmes à répondre aux obligations de conformité sans compromettre la taille et les performances.
Les EMI représentent un défi pour les concepteurs d’équipements médicaux. Répondre aux normes de conformité en matière de sécurité est non négociable et peut avoir un impact direct sur les performances EMI du système. La conformité EMI du système ne peut être vérifiée que lorsque la conception du système est complètement terminée, et à ce moment-là, essayer de rectifier la non-conformité peut avoir un impact négatif sur le temps de conception et le plan de lancement du produit.
Disposer des moyens pour mesurer et atténuer les EMI dans un système entièrement intégré est un avantage considérable en termes de mise sur le marché. Les laboratoires de test et de modification comme les centres d’expérience clients d’Advanced Energy peuvent soutenir les besoins en conception et en tests EMI. Des experts EMI établis avec une empreinte mondiale emploient une équipe globale d’experts en la matière prêts à aider. De la mise en évidence des problèmes de disposition aux tests de pré-conformité pour les systèmes entiers, les experts EMI de ces installations mondiales peuvent aider à répondre aux besoins du système, aux délais et aux budgets.
Cet article est initialement apparu dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est co-écrit par Dermot Flynn et Paul Kingsepp d’Advanced Energy.