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5 e 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 [email protected] www.alexandre-boyer.fr

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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

[email protected]

www.alexandre-boyer.fr

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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

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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

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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.

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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

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• 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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Tests CEM sur produit radio

Caractérisation d’un système embarqué autonome 14 janvier 18

produit radio

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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 ?

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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)

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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)

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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

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Tests CEM sur produit électronique (alimentation à

Caractérisation d’un système embarqué autonome 27 janvier 18

électronique (alimentation à découpage)

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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

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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

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Présentation du cas d’étude – Schéma électrique

Tests CEM sur alimentation à découpage

Caractérisation d’un système embarqué autonome

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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

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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

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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

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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+

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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

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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 :

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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 !

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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

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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

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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

Page 41: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

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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 ?

Page 43: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

Page 44: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

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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)

… …

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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 ?

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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Amélioration du routage – Analyse du routage initial

Tests CEM sur alimentation à découpage

Couche Bottom

GND

Caractérisation d’un système embarqué autonome 60

Page 61: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

Amélioration du routage – Analyse du routage initial

Tests CEM sur alimentation à découpage

Caractérisation d’un système embarqué autonome 61

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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

Page 63: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

Page 64: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

Page 65: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

Amélioration du routage – Analyse du routage initial

Tests CEM sur alimentation à découpage

Préconisation

Caractérisation d’un système embarqué autonome 65

Page 66: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

Page 67: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

Amélioration du routage – Nouvelle version du routage

Tests CEM sur alimentation à découpage

Couche Bottom

GND

Caractérisation d’un système embarqué autonome 67

Page 68: Assemblage et caractérisation d’un système embarqué ... caractérisation d... · Assemblage et caractérisation d’un système embarqué autonome Essais CEM Caractérisation

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

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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

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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

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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

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Evaluation

Quiz en ligne ouvert mercredi 10/01, de 18 à 20h

www.directquiz.fr

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Caractérisation d’un système embarqué autonome 72

10 questions, au moins une réponse juste à chaque question