EMZER : mesures modales et démonstration EMSCOPE pour les émissions conduites

En un coup d’œil

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À propos des mesures modales : une nouvelle approche pour les émissions conduites

Tout d’abord, faisons un rappel rapide sur la manière dont les mesures CEM typiques sont réalisées. L’approche standard consiste à mesurer un seul canal à la fois, qu’il s’agisse de la ligne ou du neutre. Dans le cas d’un système triphasé, on mesure la ligne un, la ligne deux, la ligne trois, puis le neutre.

Si vous utilisez un récepteur analogique, les mesures prennent énormément de temps, mais surtout, il n’est pas possible de déterminer la source du bruit. Cela signifie que vous pouvez mesurer l’émission totale d’un canal, qui peut être conforme ou non. Mais cette émission est composée de mode commun et de mode différentiel. Si vous ne disposez pas de l’information permettant de savoir quelle part de ce bruit est en mode commun, quelle part est en mode différentiel et dans quelles plages de fréquences, il n’est pas possible de concevoir correctement le filtre secteur.

Cela s’explique par le fait que le filtre secteur est composé de composants, principalement des selfs et des condensateurs, dont le rôle est de réduire une émission modale particulière.

Tout cela, bien entendu, représente un coût important. C’est pourquoi nous avons proposé une nouvelle approche : concevoir votre filtre en analysant les mesures modales.

Pourquoi les mesures modales sont importantes

Les mesures modales sont composées du mode commun et du mode différentiel. Si vous regardez les deux images suivantes, vous identifierez le mode différentiel comme le bruit qui passe par un conducteur et revient par l’autre conducteur dans la direction opposée, tandis que le mode commun se propage dans la même direction sur les deux conducteurs et se referme par la terre ou par les capacités parasites.

C’est très important pour la conception de filtre, car chaque composant du filtre agit sur chaque mode. En sachant exactement dans quelles plages de fréquences se trouve le bruit, vous pouvez choisir vos composants.

Bien entendu, une option consiste à utiliser de gros filtres, par exemple des filtres en boîtier. Mais le problème est que, par exemple, le boîtier peut être trop grand, trop coûteux ou tout simplement ne pas fonctionner. Il faudra alors augmenter la taille de votre EUT ou retirer quelque chose afin de réduire d’une certaine manière les performances.

Capacités de mesures modales de l’EMSCOPE

Maintenant, faisons un rappel rapide sur l’effet de chaque composant sur les bruits modaux : la self de mode commun agit sur le bruit de mode commun, tandis que les condensateurs agissent davantage sur le mode différentiel, en particulier le condensateur CX placé entre la ligne et le neutre.

Notre EMSCOPE est composé de deux récepteurs avec trois détecteurs chacun, qui mesurent toujours simultanément les deux lignes. C’est pourquoi il est possible de décomposer l’émission en bruits modaux.

Configuration de démonstration EMSCOPE

Nous allons maintenant présenter la configuration de démonstration. Dans la partie gauche, nous avons notre EUT, qui est une alimentation à découpage. Cet EUT passe par un boîtier de sélection de filtres dans lequel nous avons quatre positions.

La première (n°4) va directement au récepteur. Nous mesurons donc l’émission de l’EUT sans aucun autre élément connecté.

Ensuite, nous avons trois positions dans lesquelles nous avons placé trois filtres différents. Nous avons un très gros filtre dans le boîtier, un filtre plus petit et une carte PCB sur laquelle nous avons conçu notre propre filtre, grâce aux informations que l’EMSCOPE peut nous fournir.

Le logiciel EMSCOPE

Ce logiciel est intégré à l’intérieur de l’instrument. Toutes les mises à jour sont gratuites. Cela arrive rarement en CEM, où il faut généralement payer une maintenance annuelle, mais ce n’est pas le cas avec le logiciel intégré à l’EMSCOPE.

Comme avec tout autre logiciel, vous pouvez accéder à la configuration de l’appareil et régler tous vos paramètres ou mettre à jour gratuitement.

À gauche, vous voyez un menu. De haut en bas, vous pouvez l’utiliser pour configurer toutes les mesures que vous devez effectuer. Par exemple, la bande de fréquences est déjà présente ici. Nous pouvons donc simplement la sélectionner et modifier encore la fréquence de départ et la fréquence d’arrêt.

Ainsi, conformément au CISPR, nous n’avons même pas besoin de savoir que la bande de résolution est de 9 kHz : le logiciel le fait pour nous. Nous pouvons ensuite régler le temps dual et le mode de balayage.

Dans « amplitude », vous pouvez prendre en compte les pertes externes et les compenser. Comme nous utilisons le LISN interne, nous le compensons déjà.

Voyons maintenant comment fonctionne cette configuration de trace. Comme vous pouvez le voir, si vous regardez l’option clear/write, elle a une couleur différente, ce qui signifie qu’elle est sélectionnée.

Lorsque nous descendons, vous pouvez voir que nous sélectionnons également la mesure EMI. Dans ce cas, nous mesurons la ligne par rapport à la terre avec le détecteur quasi-peak.

Toutes ces informations se trouvent dans le coin supérieur gauche de l’onglet. Dans ce cas, T1 L-G QPK CLR signifie : trace une, ligne, quasi-peak, et nous effaçons. Le graphique bleu correspond à notre mesure.

Maintenant, à côté du haut de l’onglet, nous avons un petit signe plus. Lorsque vous cliquez dessus, il ajoute un autre onglet, comme cela se produirait avec Google. La différence est que vous verrez toujours, sur la même page, la mesure que vous effectuiez auparavant. Cela est utilisé à la fois pour la comparaison ou pour plusieurs mesures simultanées.

Par exemple, vous verriez ici que le logiciel ouvre un autre onglet et, en rouge, nous mesurons la ligne avec le détecteur peak, et nous mesurons. Bien entendu, clear signifie que chaque seconde, puisque nous avons réglé le temps dual à une seconde, il mesure. C’est un récepteur effectif, donc la mesure est réellement rapide. En une seconde, nous pouvons mesurer de 150 kHz à 30 MHz.

Gardez à l’esprit que, si vous avez un récepteur analogique, vous devez effectuer la mesure avec le détecteur peak, balayer toute la bande, puis revenir avec le détecteur quasi-peak. Cela ne se produit pas avec EMSCOPE.

Maintenant, nous avons la trace une et la trace deux avec les deux couleurs. Mais rappelez-vous que nous pouvons encore ouvrir d’autres onglets car, comme vous pouvez le voir sur l’image suivante, le récepteur possède deux canaux. Cela signifie que nous mesurons la ligne, le neutre, et que nous les mesurons également simultanément avec trois détecteurs chacun.

Par exemple, nous pourrions ouvrir un autre onglet, cliquer sur le neutre et mettre le détecteur quasi-peak.

Nous pouvons même ouvrir un autre onglet, ajouter le neutre et le détecteur average. Ainsi, en une seconde, nous avons la mesure sur la ligne et le neutre, avec les détecteurs peak, quasi-peak et average.

Maintenant, en revenant aux deux premiers onglets, comme vous pouvez le voir, nous sommes clairement au-dessus de la limite. Nous pouvons également le vérifier avec notre liste d’émissions maximales. Elle marquera toutes les émissions, tous les points, mais nous pouvons clairement voir que nous échouons au test CEM.

À ce stade, la pratique courante consiste à utiliser un filtre secteur. Pour cela, la première chose que nous allons faire est d’enregistrer les mesures que nous avons recueillies, au cas où nous voudrions les consulter plus tard.

Maintenant, nous allons vous montrer ce qui se passe lorsque vous faites ce qui est couramment fait de manière incorrecte en CEM : mettre un gros filtre et voir si cela fonctionne.

Ainsi, lorsque nous mettons le gros filtre, nous pouvons voir que nous passons le test CEM, ce qui signifie que le produit est bon pour continuer. Mais il peut aussi arriver que le filtre soit trop grand et ne puisse pas être utilisé, qu’il soit trop coûteux ou qu’il présente tout autre problème que vous pourriez rencontrer.

Alors, quelle est la bonne manière de réussir les essais d’émissions conduites ?

Tout d’abord, nous allons revenir au produit sans filtre et, comme nous l’expliquions auparavant, effectuer des mesures modales. Pour cela, nous allons simplement cliquer sur modal, puis sur common mode.

Nous avons donc maintenant la trace une qui mesure le mode commun avec un détecteur quasi-peak.

Nous allons maintenant passer à la trace deux et mesurer le mode différentiel avec le détecteur quasi-peak.

Comme vous pouvez le voir, notre émission est composée des deux modes. Il peut parfois arriver que nous ayons un mode à différentes fréquences. Nous aurions donc besoin de différents composants dans le filtre. Mais pour l’instant, disons qu’à basse fréquence nous avons un pic très élevé de mode commun, puis du mode différentiel.

Maintenant que nous avons vu comment tester correctement la CEM, nous allons vous montrer une autre fonction que le programme permet d’utiliser : l’option freeze. Pour cela, nous allons figer les traces une et deux.

Ensuite, nous allons ouvrir un autre onglet pour mesurer le mode différentiel avec le détecteur quasi-peak et, dans un autre onglet, nous allons mesurer le mode commun avec le détecteur quasi-peak.

Pour résumer, nous avons figé deux traces correspondant à ce que l’EUT émet, puis nous avons ouvert deux traces qui mesurent en continu.

Ainsi, à présent, si nous changions le filtre et mettions le gros filtre, nous verrions son action sur les deux modes.

Maintenant, si nous revenions à la position un, ce que nous verrions serait difficile à comprendre. Nous utilisons donc une autre fonction EMSCOPE, qui permet de masquer les traces.

Par exemple, nous allons masquer le mode différentiel. Vous verrez maintenant pourquoi, au début, nous avons changé les couleurs afin de différencier le mode commun et le mode différentiel. Comme vous pouvez le voir sur l’image, la ligne bleue est le mode figé, donc l’EUT sans filtre. Le mode commun, représenté en rouge, signifie WUT avec le filtre numéro un, le gros filtre.

Nous pouvons voir que nous avons une bonne réduction du mode commun aux hautes fréquences, mais pas autant aux basses fréquences. Nous avons bien une réduction importante, mais nous devons toujours nous assurer que cette mesure est effectuée dans un environnement blindé afin d’éviter les couplages indésirables, par exemple.

Nous ne sommes pas loin de la limite, et les mesures de mode commun, en particulier, sont fortement affectées par la configuration et la connexion à la terre. Nous allons donc effectuer quelques ajustements supplémentaires.

Pour commencer, nous allons masquer le mode commun et afficher le mode différentiel.

Ici, nous avons le mode différentiel en rouge, celui qui n’est pas filtré, et en bleu, celui qui est filtré. Comme vous pouvez le voir, ce sont de très bonnes performances du filtre pour le mode différentiel. C’est un très bon condensateur.

Maintenant, nous allons tout masquer et mettre en place le deuxième filtre, le plus petit. Il est comme le boîtier métallique, mais plus petit, ce qui signifie moins d’espace et probablement un coût inférieur. Pour le vérifier, nous utiliserons toujours la fonction permettant de masquer le bruit.

Comparons les modes communs. Nous allons donc masquer les modes différentiels et observer la différence entre les modes communs avec et sans filtre.

Nous observons toujours une meilleure réduction qu’avec le premier filtre. Comme vous pouvez le voir, il a réduit de 15 dB à la fréquence de 170 kHz, qui était le point qui nous posait problème.

Mais, si nous vérifions le mode différentiel, nous verrons quelque chose d’inattendu. Le mode différentiel est plus élevé qu’auparavant, alors qu’il était très faible. Mais en changeant le filtre, il a de nouveau augmenté.

La conclusion est que ces deux filtres donnent essentiellement la même atténuation, mais nous n’améliorons pas réellement quoi que ce soit. Si nous devions effectuer une mesure EMI, en sélectionnant clear/write et en mettant la ligne avec le détecteur QPK, nous pourrions dire que cela passe. Rappelez-vous que ceci est avec le petit filtre.

Maintenant, si nous figeons cette mesure, ouvrons un autre onglet et mesurons la même chose avec le quasi-peak et le gros filtre, nous pouvons voir la différence dans les émissions globales que ces deux filtres donnent.

Nous voyons donc qu’à part le pic à 200 kHz, c’est pratiquement la même chose. Il en va de même à 400 et 700 kHz, où le rouge donne plus d’atténuation, mais cela reste peu significatif.

Ce que nous devrions faire ici, c’est concevoir un filtre en utilisant le kit de filtres Wurth et réellement résoudre le problème.

Par exemple, nous allons dans clear/write et nous effectuons les mesures modales avec le mode commun.

Ensuite, nous ouvrons un autre onglet pour le mode différentiel avec le quasi-peak, et nous retirons de nouveau le filtre de la configuration, afin d’avoir le bruit total.

Ensuite, nous figeons à nouveau le mode commun et ouvrons deux autres onglets pour mesurer la même chose. Puis nous mettons en place le troisième filtre, la carte PCB, notre filtre conçu.

Ce que nous voyons, c’est que, si nous masquons et comparons un à un, nous avons une énorme réduction en mode commun à la fréquence basse, d'environ 60 dB.

Et également, en mode différentiel, nous avons aussi une énorme réduction.

Nous avons conçu un filtre plus petit avec moins de composants, mais avec de meilleures performances. Vérifions cela en le mesurant à nouveau avec les mesures EMI, le détecteur quasi-peak, et dans un autre onglet, nous allons le mesurer avec l’average.

Comme vous pouvez le voir, les résultats sont corrects. Nous avons une différence de 40 dB et nous sommes certains que, si nous allions dans un laboratoire CEM pour le marquage CE final du produit, il passerait sans surprise. Notre filtre est parfait pour cette alimentation.

Comme vous l’avez vu, nous avons conçu le filtre le plus optimisé à la fois pour la taille et pour le prix.

Par exemple, si votre objectif est d’utiliser le filtre le plus petit possible en taille, vous pouvez utiliser la décomposition modale pour atteindre ce résultat.

D’un autre côté, si votre objectif est de minimiser le prix, vous pourriez vous contenter de composants qui ne sont pas aussi bons en performances, mais qui sont moins chers.

Le point important est que, lorsque vous allez au laboratoire CEM pour le marquage final, vous obteniez un résultat conforme. Échouer à ce test signifie une grande perte de temps et d’argent et, bien entendu, davantage de temps pour résoudre le problème que vous avez. Car si vous essayez de résoudre un problème CEM sans connaître le mode commun et le mode différentiel et sans faire de comparaison en temps réel, vous entrerez dans une très longue boucle d’essais et d’erreurs.

Enfin, une autre chose que ce logiciel vous permet de faire est un rapport PDF qui prouve votre travail avec votre filtre optimisé et avec les résultats.

Bien entendu, avec ce logiciel, vous pouvez faire beaucoup d’autres choses, comme la fonction waterfall. Avec elle, en un clic, vous voyez la fonction waterfall et le diagramme temps-fréquence. Mais le point réellement majeur d’EMSCOPE et les avantages qu’il apporte sont centrés sur les bruits modaux, qui sont les seuls composants que vous devez regarder lorsque vous concevez un filtre, et en particulier si vous souhaitez le rendre petit, optimisé et performant.

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