Recommandations gnrales de conception pour la conformit CEM Par Paul Lee, Directeur De lIngnierie, Murata Power Solutions

Les rglementations de compatibilit lectromagntique (CEM) affectent de

multiples aspects de la conception des circuits et des systmes. Cependant, il

existe de nombreuses techniques pouvant rduire les missions aussi bien

que la susceptibilit aux interfrences lectromagntiques (IEM).

Commenons par le ct alimentation du systme : faites en sorte de crer le

moins possible de boucles de lignes dalimentation et de dcoupler les lignes

aux limites des zones dalimentation locales, laide de filtres de faible Q

(figure 1). Les sections haut dbit du systme devraient tre places le plus

prs possible de larrive dalimentation, et les sections les plus lentes

places plus loin, pour rduire les transitoires de plans dalimentations.

Figure 1 Les lignes dalimentation liminez les boucles et dcouplez les limites de zones dalimentation locale

Placez des filtres passe-bas sur les lignes de signaux, de manire ne

garder que la bande passante minimum ncessaire. Sur les lignes large

bande passante, gardez les boucles darrive et de retour fermes. Sur les

lignes HF ou RF, veillez implmenter les terminaisons de manire

minimiser les rflexions, les oscillations et les dpassements. Quant aux

lignes transportant des signaux extrieurs, le mieux est de les terminer sur le

bord de la carte ; vitez les terminaisons de conducteurs sur la surface de

carte et ne laissez pas de conducteurs libres traverser la carte. Il importe que

tous les signaux sur la carte soient tracs sans conducteurs volants.

Pour viter les rsonances lintrieur dun conducteur de signal, cartez les

cbles ou les pistes distants de moins du quart de la longueur donde du

signal. Limitez la vitesse de monte et de descente des fronts de signaux et

dhorloges pour rduire la diaphonie, car les fronts raides produisent de larges

spectres HF.

Considrations sur le circuit imprim (PCB) Lors de loptimisation dun trac de circuit imprim, quelques points sont

vrifier pour une meilleure performance CEM. Les points suivants devraient

tre vits : les fentes douverture, particulirement dans les plans de masse

ou prs des chemins de courant ; les pistes dalimentation fines, qui crent

des zones de haute impdance donnant naissance de fortes IEM ; et le

recouvrement de plans dalimentation. Sparez ces derniers par une masse

commune pour rduire le bruit systme et le couplage de signaux de

puissance.

Les moignons de pistes devraient tre interdits. Ils causent des rflexions et

des harmoniques (figure 2). De mme, ne crez pas de concentrations

locales de vias et de pastilles traversantes. Ne faites pas faire de boucles aux

pistes, mme entre couches, car cela cre des antennes rceptrices ou

rayonnantes trs efficaces. De mme, ne conservez pas de surfaces

conductrices flottantes, car ce sont des sources de rayonnement crant des

IEM. Connectez-les si possible au plan de masse. Ces surfaces sont souvent

places sur la carte des fins de dissipation thermique, aussi la polarit ne

devrait pas importer, mais vrifiez la fiche technique du composant.

Figure 2 Rduisez la longueur des pistes HF, vitez les moignons de pistes, biseautez les coins et tracez orthogonalement les pistes routes sur des couches adjacentes.

Assurez-vous que toutes les pistes signal se trouvent dans une structure

stripline , incluant un plan de masse et un plan dalimentation chaque fois

que possible. Souvenez-vous que le courant de retour dune ligne signal

possde une image miroir dans un plan de masse au-dessus ou en-

dessous de lui, et que ces routes miroir ne doivent pas tre interrompues ou

combines. Les pistes HF et RF doivent tre aussi courtes que possible, et

les pistes HF traces les premires. Le biseautage de pistes (les coins sont

coups ) permet de rduire les concentrations de champ, ce qui amliore

la CEM. Une dernire astuce pour les lignes signal est de tracer les pistes de

couches adjacentes orthogonalement, chaque fois que possible. Toutes ces

astuces sont rsumes figure 2.

Il est possible dentourer les composants et terminaisons sensibles dun

anneau de garde ou dun remplissage de cuivre connect la masse (figure

3). La prsence dun anneau de garde sur le pourtour des couches contenant

des pistes rduit les missions de la carte. Ne connectez cet anneau la

masse quen un seul point et ne lutilisez pour rien dautre (par exemple, ne

lutilisez pas pour le retour de masse dun circuit).

Figure 3 Utilisez des anneaux de garde et des remplissages de cuivre connects la masse Remplissage de cuivre connect la masse entourant une piste

Anneau de garde

Anneau de garde sur une face portant des pistes

Considrations sur les composants

A prsent, passons aux aspects CEM de certains composants spcifiques. La

premire tape est de placer les circuits de polarisation et des circuits pull up

et pull down prs des points alimenter ou piloter. Lintensit du signal de

commande en sortie des circuits dhorloge devrait tre minimise. Pour

augmenter le couplage entre une ligne de signal et son retour et annuler entre

eux les champs disperss par les lignes de transport de courant et les lignes

signal, un excellent moyen dest dutiliser des bobines darrt (chokes) de

mode commun.

Rduisez les bruits dans les composants et les transitoires sur les lignes

dalimentation en dcouplant les lignes dalimentation passant prs des

composants. Comme condensateurs de dcouplage et de bypass, les

condensateurs cramiques multicouches seront prfrs en raison de leur

basse impdance, de leur haute frquence de rsonnance et de leur stabilit.

Lorsque cela est possible, utilisez des composants discrets pour obtenir un

filtrage optimum. Des composants monter en surface sont prfrables

cause de la faiblesse de leurs effets parasites et des effets dantenne causs

par les terminaisons des composants traversants. Ajoutez un filtrage sur les

cbles et une protection contre les surtensions sur leurs terminaisons. Cela

est particulirement important pour le cblage externe au systme. Si

possible, tout cblage externe devrait tre isol la priphrie du systme.

Vous pouvez minimiser la charge capacitive sur les sorties numriques en

minimisant la sortance, spcialement sur les circuits intgrs CMOS, car cela

rduit le courant de charge et les pics subis par le composant.

Le blindage, tout en amliorant efficacement la CEM, peut tre coteux et

devrait pour cette raison ntre utilis quen dernier ressort. Lorsque vous

disposez de composants de blindage, utilisez-les pour les circuits

commutation rapide, les circuits dalimentation secteur et les circuits basse

puissance. Etudiez lintrt des boucliers magntiques faits de bandes de

cuivre, dits belly bands , enrouler autour des transformateurs ou des

bobines, et celui des boucliers lectrostatiques entre enroulements de

transformateur. Et, dune manire gnrale, le fait de minimiser la bande

passante de lensemble des composants du systme et disoler les circuits

lorsque cest possible rduit la susceptibilit et les missions.

Les composants ddis la CEM Des composants comme les transformateurs disolation, les bobines standard

et les bobines darrt de mode commun offrent des solutions simples

certains problmes de CEM apparaissant dans un circuit existant.

Les bobines Les bobines sont idales pour rduire les IEM sur les lignes dalimentation ou

filtrer les signaux fort courant. Dans les alimentations dcoupage (SMPS),

les inductances servent souvent la fois au stockage dnergie et au filtrage

de ligne (figure 4). Nous recommandons dutiliser une inductance torodale ou

blinde si vous suspectez lexistence de problmes de CEM. Les bobines

torodales contiennent mieux le champ magntique lintrieur du noyau et

par consquent leur rayonnement est virtuellement nul. En mme temps, la

susceptibilit aux IEM dune bobine torodale est trs basse.

Figure 4 Configuration de base dune alimentation dcoupage et de

ses filtres Bobine darrt de stockage dnergie

Bobine darrt de filtrage

Dans les sections de circuits ddies lalimentation, le fait de placer une

inductance entre lalimentation locale et le secteur assure un bon filtrage de

lalimentation et rduit les bruits des circuits situs dans le systme, ce qui

vite de polluer la ligne dalimentation lectrique principale. Pour slectionner

une inductance, prenez en compte le niveau du courant et la vitesse relative

de commutation dans la section de circuit concerne. Dune manire

gnrale, choisissez la plus faible valeur dinductance assurant le filtrage

dsir, car les valeurs plus leves donnent des frquences dauto-

rsonnance plus basses, ce qui peut produire des oscillations gnantes et

des perturbations dans le circuit. Une rsistance est souvent place en face

de la bobine pour abaisser le Q du filtre et amortir les oscillations. De faibles

inductances auront aussi en gnral de plus faibles pertes DC et produiront

des tensions transitoires plus basses lors des chelons de charge.

Pour les lignes de signaux ayant une charge ou une commande ractive, il

peut tre ncessaire dutiliser une terminaison adapte employant des circuits

passifs ractifs. Il faut connatre la rponse en frquence de la charge ou de

la commande, mais le rseau RLC correspondant est relativement simple et

facile caractriser. Un autre domaine o les inductances amliorent les IEM

est le rseau de polarisation dun amplificateur (figure 5). En plaant un

lment inductif dans le circuit de polarisation ou dans les branches de

compensation, il est possible dajouter un filtre au circuit sans charger le

signal dune inductance supplmentaire. Un choix judicieux de la valeur

dinductance est recommand et il est essentiel de placer linductance prs de

lamplificateur. Cette mthode convient au filtrage des bruits HF, en particulier

sur les signaux vido et TV.

Figure 5 Filtrage dun amplificateur au moyen de bobines Les bobines darrt de mode commun Les bobines darrt (chokes) de mode commun sutilisent pour liminer les

bruits de mode commun ou les IEM sur les cbles ou ceux induits sur les

pistes de signaux. La bobine darrt devrait tre place aussi prs du circuit

de commande ou de rception que possible, ou au point darrive du signal

sur la carte. La bobine darrt agit en annulant les interfrences apparaissant

sur les lignes de signal et de retour (cest--dire, les IEM induites) tout en

permettant aux signaux de mode diffrentiel dsirs et au courant continu de

passer.

Choisir la bonne inductance aidera aussi maintenir une bonne adaptation

limpdance de ligne caractristique et permettra de sen servir comme filtre

pour limiter la bande passante de la terminaison.

Sur les lignes dalimentation, les bobines darrt de mode commun rduisent

les IEM de mode commun. Le bruit de mode diffrentiel peut aussi tre filtr

avec le mme composant par une slection judicieuse dune bobine darrt

de mode commun dlibrment conue pour que le couplage entre ses

enroulements soit trs imparfait. Il en rsulte une inductance de fuite qui

agit comme une bobine darrt en srie sur chaque ligne.

Les transformateurs Le principal bnfice dun transformateur de signal, du point de vue de la

CEM, est de fournir une barrire disolation entre une ligne signal et les

composants associs. Cest particulirement vrai lendroit o la ligne signal

quitte la carte ou le systme. Cela concerne aussi les signaux envoys ou

reus, car le fait disoler la ligne rduit le bruit de mode commun et limine les

diffrences de potentiel de masse (ou de retour de signal) entre systmes.

Les convertisseurs DC-DC isols Un convertisseur DC-DC isol aide vritablement rduire la susceptibilit et

les missions conduites en isolant le rail dalimentation et la masse de

lalimentation du systme. En tant que composants commutation, les

convertisseurs DC-DC isols possdent eux-mmes une frquence de

commutation caractristique qui peut ncessiter un filtrage additionnel,

comme le montre le montage de la figure 6.

Figure 6 Filtrage dun convertisseur DC-DC isol

Ces recommandations gnrales de conception devraient aider minimiser

les IEM et aider obtenir du premier coup la certification CEM des systmes.