Couverture ElectroniqueS n°127

L'AJOUT DE FILTRES CEM MODULAIRES SUR L'ENTRÉE AC DES ÉQUIPEMENTS EST COURANT. MAIS ILS EXISTENT DANS DE NOMBREUSES DÉCLINAISONS, CE QUI NE FACILITE PAS LEUR CHOIX. CET ARTICLE DÉCRIT LA FONCTION DU FILTRE ET LA MANIÈRE DE LE FAIRE CORRESPONDRE À L'APPLICATION PRÉVUE POUR OBTENIR LE MEILLEUR RÉSULTAT POSSIBLE. Dans les équipements alimentés sur secteur, il est courant d'utiliser un filtre de ligne modulaire intégré à un connecteur ou monté sur le châssis, en particulier dans les environnements professionnels tels que l'industrie, la santé et les applications ITE. L'équipement comprend généralement un convertisseur AC-DC intégré ou une alimentation qui peut également être montée sur châssis ou parfois en rack, voire sur circuit imprimé. Dans chaque cas, le bloc d'alimentation répondra invariablement aux exigences réglementaires en matière d'émissions en tant qu'équipement autonome, en particulier aux normes EN55011/EN55032 pour les interférences conduites et rayonnées. On peut se demander pourquoi un module de filtre supplémentaire peut alors s'avérer nécessaire, mais les concepteurs d'équipements chevronnés savent depuis longtemps que pour qu'un produit fini soit déclaré conforme CEM, il ne suffit pas simplement d'utiliser des composants conformes. Il existe plusieurs raisons à cela. Tout d'abord, il faut savoir que les tests de conformité sur un dispositif de type convertisseur AC-DC, par exemple, sont réalisés dans des conditions très spécifiques d'impédance de ligne AC supposée, de charge de sortie, de longueur et de cheminement des câbles, et de position du convertisseur par rapport à la masse. Lorsqu'un produit final est testé avec ce convertisseur AC-DC installé en interne, toutes ces conditions varient, conduisant à une signature EMI différente et souvent moins bien sûre que les émissions conduites. Les EMI rayonnées provenant d'autres composants peuvent également être captées sur le câblage d'alimentation, ajoutant aux niveaux conduits. Gary Bocock (XP Power) Membre de l'IET (Institution of Engineering and Technology), Gary Bocock a 30 ans d'expérience dans le domaine des alimentations électriques. Au sein de XP Power, une société qu'il a rejointe il y a plus de 20 ans, il a occupé différentes fonctions d'ingénierie et de management. Il occupe aujourd'hui le poste de directeur technique. L'emploi d'un filtre modulaire externe est très courant mais, avec Résistance Commutateur des centaines de versions disponibles, effectuer le choix optimal n'a rien de trivial. Ce schéma représente de Source électronique le circuit réinitialisation de signal interne d'un filtre typique du commerce. LES FILTRES MODULAIRES PEUVENT PERMETTRE LA CONFORMITÉ EMI DU SYSTÈME Un filtre modulaire externe peut constituer la solution pour pallier ce problème mais, avec des centaines de versions possibles, effectuer le choix optimal n'a rien de trivial. Examinons d'abord le circuit interne d'un filtre typique du commerce et considérons la contribution de chaque composant (voir figure 1). Dans cette configuration, le condensateur CX atténue le bruit de mode différentiel, les signaux et les pics qui apparaissent sur le Première détection neutre, créés par des changements possible du défaut rapides de courant dans le convertisseur, et seront classés comme X1, X2 ou X3 pour résister aux transitoires de tension sur la ligne AC. L est une inductance de mode commun ou à compensation de courant avec deux enroulements en phase comme illustré sur la figure 1. Le bruit de mode commun, créé par des changements rapides de tension dans le convertisseur de la phase et du neutre à la terre, voit la self comme une impédance élevée, chaque condensateur CY détournant le courant de bruit vers la terre. Le courant de fonctionnement normal à travers les deux enroulements de la self provoque une annulation de champ dans le noyau de sorte que des valeurs d'inductance élevées peuvent être utilisées sans crainte d'une saturation magnétique. Souvent, L est enroulée selon un couplage imparfait entre les enroulements de façon à ce qu'une certaine inductance de fuite soit créée, apparaissant comme une inductance en série séparée qui augmente l'atténuation du mode différentiel. Alors que CX peut prendre n'importe quelle valeur de capacité dans des limites pratiques, les deux valeurs CY sont limitées par les exigences de courant de fuite à la terre et sont disponibles dans les types Y1, Y2, Y3 et Y4 avec des tensions nominales de fonctionnement et transitoires décroissantes. Le courant de fuite à travers les condensateurs Y est un problème potentiel car ils relient une barrière de sécurité – phase et neutre à la terre. En cas de défaillance de la connexion de mise à la terre de la structure métallique de l'équipement, le boîtier « flotte » jusqu'à la tension de phase via un condensateur Y et peut provoquer un choc électrique. Les valeurs du condensateur Y sont donc limitées pour ne pas permettre la circulation d'un courant supérieur à la limite selon la norme relative à l'environnement de l'application. Les limites peuvent varier de dizaines de milliampères dans les zones industrielles à moins de 10 µA dans les applications médicales avec contact cardiaque (CF). Le dispositif schématisé en figure 1 peut être intégré dans des filtres modulaires, en particulier ceux à montage sur panneau tels que le populaire IEC320-C14 représenté ici. Ce tracé EMI a été mesuré sur un convertisseur AC-DC typique de XP Power, une alimentation Temps PBR500PS12B fonctionnant à 230 VAC et avec une charge dBµV de 180 W. Le tracé montre une bonne conformité avec la ligne de limite d'émissions de la courbe B selon l'EN55032 pour la détection quasi-crête. Écran R1 est une résistance de haute valeur, typiquement 1 mégaohm pour décharger CX si l'alimentation AC est brusquement supprimée et que la charge ne peut pas être invoquée pour la drainer, laissant une tension potentiellement dangereuse sur les broches du connecteur AC. Des normes telles que la CEI 62368-1 pour la sécurité des équipements ITE et multimédia imposent que R1 décharge le condensateur à moins de 60 V après deux secondes dans le cas où la valeur de CX est supérieure à 300 nF, et à des tensions autorisées plus élevées pour des valeurs de CX inférieures à 300 nF. Pour les équipements accessibles uniquement au personnel qualifié, là encore les limites de tension autorisées sont plus élevées. D'autres normes sont cependant différentes : la norme CEI 60601-1 pour les équipements médicaux, par exemple, exige une décharge à moins de 60 V après une seconde, mais il n'y a aucune exigence si la valeur de CX est inférieure à 100 nF. Des normes telles que la CEI 62368-1 imposent également à la résistance de supporter des tensions transitoires avec un écart de valeur de résistance ne dépassant pas 10 % si la résistance est installée avant un fusible. R1 sera donc un composant de haute performance. Dans certaines applications, la puissance dissipée par R1 dans des conditions normales peut dépasser les limites maximales en veille ou à vide, spécifiées par des organismes tels que le département américain de l'Énergie (DoE) et la directive européenne ErP. Ce type de fusibles, schématisé en figure 1, Le peut être intégré dans des filtres modulaires, en particulier ceux à montage sur Configurable via logiciel par utilisateur panneau tels que le populaire IEC320-C14 présenté sur la photo en (programmable page 56. Dans les applications commerciales, un seul fusible sur la ligne de phase est normal. Si l'élément fusible est conforme B aux normes, il facilite la spécification des composants en aval, tels que la résistance R1 déjà mentionnée. Certaines applications comme les dispositifs médicaux et les équipements d'information de classe II nécessitent un fusible sur la phase et un autre sur le neutre, afin qu'en cas de défaut, les deux s'ouvrent et ne laissent donc pas la phase sous tension et dépendante des fusibles ou des disjoncteurs en amont en cas de court-circuit avec la terre. Ces dispositifs en amont peuvent être dimensionnés pour un niveau de courant élevé afin de protéger le câblage mais ne garantiraient pas de s'ouvrir rapidement en cas de défaut sur l'équipement, ce qui pourrait entraîner un risque d'incendie. Le double fusible présente cependant l'inconvénient qu'une surintensité entre la phase et le neutre pourrait n'ouvrir que le fusible du neutre, laissant ainsi l'équipement apparemment hors service alors que des parties resteraient toujours sous tension. SÉLECTION DU FILTRE Le format mécanique du filtre est un point de départ naturel ; des variantes sont disponibles en entrées CEI avec montage à vis ou encliquetable avec en option un interrupteur et aucun, un ou deux fusibles, selon les exigences de l'application. Les types d'entrées CEI sont évalués à 10 A pour le format C14, et 16 A pour le format C20, avec des modèles à montage sur châssis disponibles en 20 A et plus. Les filtres montés sur châssis, qui ont généralement un blindage sur les six côtés, avec une fixation directe sur des pièces métalliques mises à la terre, offrent une atténuation EMI très efficace. Pour tous les types, des versions médicales, sans les condensateurs Y réduisant le courant de fuite à typiquement 5 µA maximum, sont disponibles. Cela signifie nécessairement que l'atténuation en mode commun est moins bonne et peut devoir être compensée par des filtres supplémentaires. Le courant nominal peut être facilement calculé à partir de la puissance de la charge, de la tension d'entrée et du facteur de puissance le plus défavorable. Par exemple, une charge de 200 W, avec un facteur de puissance de 0,9 à 90 VAC, tirerait un courant de 200 W/(0,9 x 90 VAC), soit 2,47 A et, dans ce cas, un filtre de 3 A peut être choisi. Le mieux est de choisir l'atténuation requise d'un filtre en mesurant les performances sans qu'il soit installé, puis en calculant le supplément nécessaire à un filtre externe. Les courbes d'atténuation dans les fiches techniques des filtres donnent une indication des performances, mais il faut garder à l'esprit le fait que les performances de la fiche technique sont dans des conditions de test spécifiées, généralement une source de 50 O et une impédance de charge. Bien que la source AC puisse être normalisée à l'aide d'un réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN, line impedance stabiliser network), la charge de l'application est susceptible d'être très différente. Un filtre en cascade avec le filtre interne dans une alimentation AC-DC peut également provoquer des résultats inattendus avec des résonances potentielles qui peuvent même provoquer une amplification des EMI à des fréquences critiques. À titre d'exemple, un tracé EMI a été mesuré sur un convertisseur AC-DC typique de XP Power, une alimentation PBR500PS12B fonctionnant à 230 VAC et avec une charge de 180 W (voir figure 2). Le tracé montre une bonne conformité avec la ligne de limite d'émissions de la courbe B selon l'EN55032 pour la détection quasi-crête. Un filtre a ensuite été inséré dans la ligne AC, de type XP-Power FCSS06SFR, avec les caractéristiques d'atténuation comme indiqué sur la figure 3. La ligne orange est le mode différentiel et l'atténuation en mode commun est la ligne bleue. Le résultat global est donné en figure 4. Dans le cas d'un filtre externe ajouté, on remarque que jusqu'à environ 1 MHz, Temps l'atténuation du filtre diminue les émissions de la quantité dBµV attendue, mais à 10 MHz et plus, il n'y a pas d'amélioration. Temps Un filtre externe de type XP-Power FCSS06SFR, avec les caractéristiques d'atténuation indiquées ici, a ensuite été inséré dans la ligne AC de l'alimentation AC-DC. On peut voir que jusqu'à environ 1 MHz, l'atténuation du filtre diminue les émissions de la quantité attendue, mais à 10 MHz et plus, il n'y a pas d'amélioration, ce qui signifie que le filtre ne « voit » pas 50 O sur ces terminaisons à ces fréquences, et donne une atténuation plus faible du bruit que ce à quoi on pourrait s'attendre. Cela confirme Écran la nécessité d'effectuer Interface des mesures pour assurer la conformité. CONSULTER LES EXPERTS Configurable via logiciel par utilisateur Obtenir la conformité EMC dès le stade le plus précoce est essentiel pour éviter des (programmable par l'utilisateur) PXI Exp échecs coûteux lors des tests finaux du produit. La solution n'est pas seulement un filtre modulaire surdimensionné à l'entrée AC qui peut ajouter des coûts inutiles et même être contreproductif, avec une atténuation inattendue. Les fabricants de blocs d'alimentation tels que XP Power peuvent aider et ont complété leur gamme de produits d'alimentation AC-DC avec des filtres modulaires de 1 à 20 A dans les formats à montage sur châssis ou entrée type CEI. Des versions sont disponibles pour les applications ITE, industrielles et médicales à faible courant de fuite, ainsi que d'autres, notamment des filtres pour les applications triphasées à courant élevé. Des dispositifs à un ou deux étages sont également disponibles pour une atténuation améliorée avec des versions personnalisées si nécessaire. Notons aussi que XP-Power offre à ses clients une assistance complète pour les conceptions et l'utilisation gratuite de leurs installations de test de pré-conformité CEM tactile internes dans plusieurs endroits du monde.

Sélectionner des filtres EMI modulaires pour les convertisseurs AC-DC

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure

Sélectionner des filtres EMI modulaires pour les convertisseurs AC-DC

Dans la même rubrique

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure