L'ondulation résiduelle de ces types de modules est souvent négligeable, ce qui permet d'utiliser un filtre de sortie dans la plupart des applications. Le courant d'entrée du convertisseur abaisseur émettant des impulsions, il peut générer des interférences radiofréquences. Selon l'application, le concepteur matériel décide de placer le filtre d'entrée directement avant le module de puissance ou à un autre endroit sur le commutateur. Cet article décrit la conception des filtres d'entrée pour modules de puissance optimisés et les techniques de mesure utilisées.

Pour commencer, il est utile d'illustrer la génération du bruit en mode différentiel. Ce bruit est constitué de signaux parasites dans un système à flux symétrique et réciproque entre la source et la charge sur les lignes d'un contrôleur à découpage. Il entre par une ligne et sort par l'autre.
 
Dans le circuit d'entrée, la fréquence d'horloge du module d'alimentation comprend une composante alternative superposée au courant utile et présente une configuration similaire à celle du courant traversant l'inductance de stockage du module. Le courant d'entrée circule dans le condensateur d'entrée Cin. Les condensateurs réels possèdent une composante résistive, la résistance série équivalente (ESR), et une composante inductive, l'inductance série équivalente (ESL), comme illustré sur la figure 2.
En raison de l'ESR du condensateur d'entrée et des impédances des lignes du module d'alimentation, les composantes alternatives induisent une chute de tension indésirable.

Ainsi, la tension de bruit se manifeste sous la forme d'un signal différentiel. L'amplitude de cette tension à l'entrée du condensateur dépend principalement de sa résistance série équivalente (ESR). Les condensateurs électrolytiques présentent une ESR relativement élevée, de l'ordre de quelques milliohms à plusieurs ohms. Par conséquent, la tension de bruit peut varier de quelques millivolts à plusieurs volts. À l'inverse, les condensateurs céramiques possèdent une ESR très faible, de seulement quelques milliohms, ce qui se traduit par une tension de bruit de quelques millivolts. De plus, la conception du circuit imprimé du module d'alimentation influe fortement sur la tension de bruit.

Pour réduire le bruit en mode différentiel, il est recommandé d'installer au moins un filtre LC simple à l'entrée du convertisseur afin de minimiser les composantes du réseau alternatif. Dans les systèmes à haute impédance, de tels filtres d'entrée peuvent théoriquement produire une atténuation de tension de 40 dB/décade dans la bande d'atténuation. En pratique, le niveau d'atténuation est inférieur car les impédances des bornes présentent une charge ohmique réduite et les composants eux-mêmes présentent des pertes. Lors du dimensionnement du filtre LC, une fréquence de coupure « f » - « c » est choisie inférieure à la fréquence de commutation « f » - « sw » du module d'alimentation. Si le facteur est de 1/10, une perte d'insertion de 40 dB est théoriquement obtenue à la fréquence de commutation où l'amplitude spectrale est maximale. « f » -
    « C » = « f » - « SW » / « 1/10 » (1)

La fréquence de coupure d'un filtre LC est généralement :
        "f" _"C" "=" "1" /("2π∙" √("L" _"f" " ∙ " "C" _"f" )) (2)

À titre d'exemple pour le calcul du filtre, une inductance de 10 µH est sélectionnée et l'équation (2) est transformée en :
        "C" _"f" "=" "1" /(("2π ∙ 0,1 · " "f" _"sw" )^"2" "·" "L" _"f" ) (3)

Concernant la disposition des composants du filtre, comme illustré sur la figure 3, le condensateur de filtrage peut être placé côté source de tension ou côté entrée du module d'alimentation. Le facteur déterminant pour l'atténuation du courant pulsé provenant d'une source de tension est l'inductance de l'inductance de filtrage.

Lorsque la fréquence de résonance du filtre est trop élevée, des oscillations peuvent se produire en réponse aux variations de la tension d'entrée à réguler. Le critère de stabilité appliqué dans ce cas est que l'impédance de sortie du filtre d'entrée « Z » _"out,filter" sur une large bande de fréquences doit être inférieure à l'impédance d'entrée du module de puissance « Z » _"in,converter".
    
        |"Z » _"out,filter" |"

De plus, la fréquence de coupure « f » _"c » du filtre d'entrée doit être bien inférieure à la fréquence de transition « f » _"co » du module d'alimentation.

        "f" _"c,filtre" "≪ " "f" _"co,convertisseur" (5)

La figure 4 illustre la procédure, qui consiste à placer une branche d'atténuation en parallèle avec l'entrée du module d'alimentation.
 
L'atténuateur réduit le facteur de qualité du filtre d'entrée et, par conséquent, son impédance de sortie à la fréquence de résonance. L'équation (6) permet de calculer la résistance d'atténuation « R_d » pour un filtre de qualité « Q_f = 1 » :
        « R_d = √(L_f/C_f) » (6)

    La valeur « Cd », couramment utilisée comme indicateur de la capacité du condensateur d'atténuation, est égale à cinq à dix fois la capacité du condensateur de filtrage
        .

Il est également possible d'atténuer le filtre en utilisant un condensateur électrolytique branché en parallèle avec la sortie du filtre, à la place de l'atténuateur. En règle générale, la valeur ESR du condensateur électrolytique est suffisante pour atténuer le filtre.

Sélection des composants d'un filtre LC :
Les condensateurs et les inductances présentent des propriétés à la fois capacitives et inductives dans les applications réelles. Les inductances de filtrage offrent leur efficacité maximale à leur fréquence de résonance propre (FRP). Dans le cas des inductances, la FRP dépend fortement de l'inductance et du couplage capacitif entre les spires. Dans le cas des condensateurs, la FRP dépend fortement de la capacité et de la longueur de leurs bornes. Par conséquent, lors de la sélection des composants d'un filtre, il est recommandé de s'assurer que la FRP se situe dans la partie supérieure de la plage de fréquences où la tension RFI est maximale, ou inversement, à la fréquence à laquelle le filtre est actif.
L'inductance de filtrage est le facteur déterminant pour la réduction du bruit en mode différentiel, car c'est le composant qui compense les variations rapides du courant dans le circuit d'entrée. La figure 5 présente les courbes d'impédance de trois inductances à noyau cylindrique, d'après un exemple de la gamme de produits WE-SD de Würth Electronics.
 
Une inductance plus élevée entraîne une FRP plus basse. Il est recommandé de choisir une inductance dont la valeur est inférieure à la capacité du condensateur de filtrage. En pratique, on choisit une inductance de filtrage d'une valeur maximale de 10 µH, car – selon la conception – une telle inductance présente une fréquence de résonance propre d'environ 30 MHz.
Le dépassement du courant nominal de l'inductance de filtrage peut endommager l'enroulement. À partir du rendement du contrôleur à découpage, le courant d'entrée efficace du module d'alimentation peut être calculé à l'aide de l'équation (8) :
        I_in = (V_out ∙ I_out)/(V_in ∙ η) (8)

    Pour des raisons de sécurité, il convient de choisir une valeur supérieure au courant nominal de la bobine de filtrage.
Le condensateur de filtrage peut être un condensateur électrolytique liquide, un condensateur polymère ou même un condensateur céramique. La seule condition requise est que la qualité du filtrage à la fréquence de coupure soit suffisamment faible (voir section 4).

D'autres paramètres doivent être pris en compte lors du dimensionnement d'un filtre Π. Idéalement, le filtre d'entrée doit être placé au plus près de l'entrée du module d'alimentation. Si, en raison de contraintes géométriques, le filtre d'entrée est situé à une distance plus importante, les pistes peuvent se comporter comme une antenne entre le filtre et le module d'alimentation aux hautes fréquences. L'inductance des pistes peut également être utilisée avec un condensateur céramique pour créer un filtre LC supplémentaire à fréquence de coupure plus élevée (voir figure 6). Grâce à sa très faible résistance série équivalente (ESR), un condensateur céramique peut facilement court-circuiter les tensions haute fréquence à la masse avec une faible impédance.
 
La fréquence de résonance du condensateur (SRF) doit se situer approximativement dans la bande de fréquences de commutation du module d'alimentation. Pour illustrer ce point, la figure 7 présente les courbes d'impédance des condensateurs céramiques WCAP-CSGP de taille 0805 de Würth Elektronik.
 

Parmi les composants représentés sur la figure 7, à une fréquence d'horloge de 2 MHz, par exemple, un condensateur de 1 µF conviendrait (fréquence de résonance indiquée en rouge). Même un condensateur céramique de 100 nF (fréquence de résonance indiquée en bleu), utilisé comme condensateur de blocage dans de nombreux circuits électroniques, conviendrait pour ces valeurs. Il convient toutefois de noter que, comparé à la version de 1 µF, le condensateur de 100 nF présente une résistance série équivalente (ESR) neuf fois supérieure.

Dimensionnement d'un filtre de sortie :
Certains modules d'alimentation disponibles sur le marché, tels que les modules MagI³C de Würth Elektronik, présentent une ondulation de sortie négligeable, rendant un filtre de sortie superflu. Toutefois, si les composants fournis par le contrôleur à découpage découplent les signaux parasites via des interfaces (par exemple, des capteurs, des circuits de commutation analogiques), un filtre de sortie peut s'avérer nécessaire pour filtrer la tension de sortie.
 
Le schéma de circuit présenté figure 6 illustre un filtre de sortie comparable à celui présenté figure 8. Il est généralement impossible de se prononcer de manière définitive sur la nécessité et l'efficacité d'un tel filtre de sortie, car son dimensionnement doit être adapté à chaque application. Un filtre de sortie peut être utilisé pour réduire l'ondulation du module d'alimentation au minimum absolu ou, alternativement, pour atténuer les oscillations sous-harmoniques indésirables. Le dimensionnement du filtre peut être effectué comme décrit précédemment dans la section 3. Dans ce cas, l'atténuation de la résonance du filtre n'est pas nécessaire.

Mesure de la tension de bruit :    
La tension de bruit est mesurée conformément à la norme de base CEI CISPR 16-2-1, qui décrit les types de variables d'interférence mesurables, l'équipement à utiliser pour différentes interfaces et la configuration de mesure pour les appareils de table et sur pied. L'interférence est évaluée dans une gamme de fréquences de 9 kHz à 30 MHz. L'équipement de mesure comprend, outre le récepteur EMI, divers stabilisateurs d'impédance de ligne (LISN), des détecteurs de tension, des pinces ampèremétriques et des coupleurs capacitifs. Dans une configuration de mesure sur table, comme illustré sur la figure 9, le dispositif testé (DUT) est placé sur une table non conductrice, elle-même posée sur un plan de masse de référence. La table doit avoir une hauteur de 40 cm. Si un plan de masse de référence vertical est également disponible, la hauteur de la table doit être d'au moins 80 cm. Le LISN doit être connecté au plan de masse pour garantir une bonne conductivité. Le DUT lui-même et tous les câbles connectés doivent être positionnés à au moins 40 cm du plan de masse.
 
La longueur du câble entre le DUT et le LISN ne doit pas dépasser 80 cm. Le récepteur EMI évalue la tension de bruit asymétrique qui a été découplée au niveau du LISN pour les différents conducteurs du câble.

Mesure du bruit rayonné.
La méthode de mesure du bruit rayonné au-dessus de 30 MHz est décrite dans la norme de base CEI CISPR 16-2-3. L'environnement de mesure est généralement une chambre anéchoïque à sol conducteur ou, à plus petite échelle, une chambre anéchoïque. Dans ce cas également, le dispositif sous test (DUT) est placé sur une table non conductrice (pour les appareils portables ou de table, voir figure 10) ou directement sur le sol. Afin de permettre au DUT de pivoter sur son axe dans sa position prédéterminée pendant la mesure, il est placé sur un plateau tournant. Dans les grandes chambres anéchoïques, l'antenne de réception est positionnée à 10 m du DUT et sa hauteur est ajustée pendant la mesure afin de trouver l'intensité de champ électrique maximale à chaque fréquence mesurée (pic spectral). L'orientation de l'antenne est également modifiée (polarisation horizontale et verticale). Dans les petites chambres anéchoïques, la distance entre l'antenne et le DUT doit être de 3 m. La hauteur de l'antenne devant être corrigée, le balayage en hauteur est omis et le sol entre l'antenne et le DUT doit être recouvert d'un matériau absorbant.
 
Étude de cas – Mesure de la tension de bruit
La section suivante décrit la mesure de la tension de bruit à l'aide d'une carte d'évaluation de module de puissance Würth Elektronik MagI³C, équipée d'un module régulateur abaisseur ajustable (171 020 601) à titre d'exemple.

Dès la phase préliminaire, il est possible de mesurer la composante alternative à l'entrée du module d'alimentation à l'aide d'un oscilloscope. Une analyse temporelle permet d'estimer le spectre d'interférences attendu dès le début de la conception du filtre.

 
La figure 11 présente une composante alternative de 80 mV, mesurée pour une tension d'entrée du module d'alimentation de 7,5 V, un courant d'entrée moyen de 1,2 A et un courant de charge moyen de 2 A. Les contrôleurs à découpage peuvent présenter une résistance différentielle négative du point de vue de l'alimentation. Le courant d'entrée augmente lorsque la tension d'entrée diminue. C'est pourquoi la tension de bruit est mesurée dans les conditions les plus défavorables : tension d'entrée minimale et courant maximal.
Cependant, le facteur déterminant pour l'analyse de ce type d'émission de bruit reste la mesure de la tension de bruit, telle que celles effectuées dans un laboratoire de CEM. La figure 12 illustre le résultat d'une mesure de tension de bruit sans filtre d'entrée.

Ce module d'alimentation fonctionne à une fréquence d'horloge de 370 kHz. Dans le spectre des interférences, l'amplitude maximale (pic rouge : 68 dBµV) est mesurée à cette fréquence. La densité spectrale de puissance du bruit diminue d'environ 40 dB par décade, ce qui signifie qu'aucune interférence significative n'est observable au-delà de la 15e harmonique. Toutefois, ce n'est qu'au-delà de la 9e harmonique que le niveau d'interférence est inférieur de plus de 10 dB à la limite du détecteur standard (ligne bleu foncé).

L'équation (3) de la section 3 peut maintenant être utilisée pour calculer un filtre d'entrée LC adapté. En raison de la fréquence de commutation relativement basse, une inductance de 4,7 µH et à faible SRF est sélectionnée, et la capacité du filtre est calculée.
    
        « C » _ « f » « = » « 1 » /(〖"(2π ∙ 0,1 ∙ 370 kHz)" 〗^"2" « ∙ 4,7 µH » ) « = 3,9 µF » (9)

Le condensateur de filtrage sélectionné sera celui dont la capacité est légèrement supérieure à 10 µF. Le courant d'entrée maximal est calculé à l'aide de l'équation (8) de la section 3.

Ce calcul nécessite la connaissance du rendement de la carte d'évaluation, déterminé par mesure et qui, dans ce cas, est de 91 %.
« I » _ « in » = « 5 V ∙ 2 A » / « 6 V ∙ 0,91 » = 1,83 A.
À partir des calculs de l'inductance du filtre et du courant d'entrée, une inductance appropriée peut maintenant être sélectionnée. À cette fin, une inductance non blindée de la série Würth Elektronik PD2, de taille 5820, a été choisie. La figure 13 présente le résultat d'une mesure de la tension de bruit avec le filtre précédemment déterminé.

Le niveau d'interférence mesuré à la fréquence de commutation de 370 kHz est de 30 dBµV. Les niveaux de toutes les harmoniques sont inférieurs à 20 dBµV et sont donc suffisamment atténués. Le niveau moyen à 370 kHz correspond au niveau maximal et est inférieur de 18 dB à la limite moyenne de 47 dBµV. Dans les mesures pratiques d'interférences conduites, un rapport signal/bruit de cet ordre de grandeur est parfaitement suffisant pour confirmer la précision de cette mesure.
La mesure de la tension de bruit vise à démontrer l'utilité de l'analyse des potentiels d'interférence dans le domaine temporel ; toutefois, une analyse dans le domaine fréquentiel demeure essentielle.
Enfin, les équations de la section 3 permettent de calculer la résistance d'atténuation :
R_d = √(4,7 µH / 10 µF) = 0,686 Ω.
Plus la valeur de la résistance d'atténuation est élevée, plus l'atténuation de la résonance du filtre est importante. Dans ce cas, on peut choisir la résistance immédiatement supérieure de la série E12 (1 Ω).
On choisit une capacité de 47 µF pour le condensateur d'atténuation. Il peut s'agir, par exemple, d'un condensateur céramique Würth Elektronik eiCap de la série WCAP CSGP.

Mesures effectuées selon la norme CEI CISPR 22.
Les mesures ci-dessus ont été réalisées conformément à la norme CEI CISPR 16-2-1, comme décrit dans la section 8. L'utilisation d'un LISN a permis le découplage de tension asymétrique et l'adaptation à la tension asymétrique (mode commun), qui a ensuite été comparée à la limite obtenue à partir de la norme CEI CISPR pour les appareils à usage privé et commercial (classe B). Pour les composants d'alimentation électrique — y compris tous les types de contrôleurs à découpage — il n'existe pas de norme CEM directement applicable. L'application complète dans laquelle le contrôleur à découpage est utilisé doit être classée dans une catégorie d'appareil spécifique, puis testée conformément aux normes correspondantes applicables au produit ou à la famille de produits. Dans ce cas, la norme CEI CISPR 22 pour les installations informatiques a été utilisée uniquement comme référence pour les limites, qui sont également spécifiées dans la norme générale CEI 61000-6-3. Les normes génériques peuvent être utilisées lorsqu'il n'existe pas de norme spécifique pour l'appareil en question.

Résumé :
Quelle que soit l’amplitude du courant alternatif, un filtre d’entrée demeure indispensable à la validation CEM d’un contrôleur à découpage. Des équations simples permettent de calculer individuellement ce filtre. La prise en compte des impédances du filtre et du contrôleur dans ces équations prévient les oscillations et garantit la stabilité de la commande. Le choix judicieux des composants du filtre est fondamental pour une conception optimale. Grâce à une expertise technique adéquate en méthodes de test CEM, les concepteurs de matériel peuvent adapter leurs commutateurs à des applications spécifiques et, si nécessaire, ajuster le filtre.

Auteurs : Ranjith Bramanpalli et Steffen Schulze