Andrew Bryars, chef de produit principal, Puissance XP
Les filtres de ligne AC modulaires sont souvent intégrés dans des équipements, montés sur châssis ou dans un connecteur, en particulier dans des environnements tels que les équipements informatiques, médicaux et électroniques industriels. La fonction du filtre est d'atténuer les émissions des équipements générées par les alimentations, l'électronique interne, les lignes de données à haut débit, etc.
Les blocs d'alimentation internes répondent généralement aux normes d'émission établies, généralement EN 55011/EN 55032. Alors pourquoi ont-ils besoin d'un filtre supplémentaire ? Le fait que les composants soient conformes aux normes ne garantit pas que le système y soit également conforme. S'il y a plusieurs convertisseurs AC/DC, leurs émissions peuvent s'additionner. Un convertisseur AC/DC aura été testé dans certaines conditions d'impédance de ligne AC, de charge, d'orientation et de positionnement de l'appareil par rapport à un plan de masse, avec des longueurs établies, un câblage et une charge passive. Une fois installé dans l'équipement, le convertisseur ne sera pas dans les mêmes conditions et les émissions pourraient être plus élevées. Les connexions à l'alimentation d'entrée de l'équipement pourraient également capter les émissions rayonnées d'autres composants du système qui ajouteraient aux interférences conduites.
La conformité EMI peut nécessiter des filtres supplémentaires
Une solution typique consiste à incorporer un filtre modulaire à l'intérieur ou à proximité du connecteur d'entrée d'alimentation de l'équipement. Bien que la sélection du filtre parmi les nombreux modèles disponibles ne soit pas anodine pour optimiser les performances et le coût, nous allons considérer une configuration type du filtre pour observer la fonction de chaque composant. (Figure 1).
CX atténue le bruit en mode différentiel, c'est-à-dire le bruit de la ligne au neutre. Il s'agit d'un condensateur de capacité « X » qui peut résister à des transitoires de ligne CA spécifiés en fonction de la classe de « surtension » de l'environnement. Ce condensateur est disponible en types X1, X2 ou X3 avec des tensions de fonctionnement de crête de 4kV, 2,5kV et 1,2kV respectivement, conformément à la norme EN 60384-14. Si le condensateur est court-circuité en raison d'une contrainte, il existe un risque d'incendie. Le composant doit donc être certifié par une agence de sécurité. La valeur capacitive de CX peut être importante et limitée uniquement par des facteurs pratiques : elle doit être déchargée dans un délai prédéterminé lorsque la ligne AC est déconnectée, soit par le circuit de retour, soit par R1 pour éviter de rester une tension potentiellement dangereuse sur les broches du connecteur. Selon la norme de sécurité pour les technologies de l'information, les équipements audio et vidéo EN 62368-1, la limite est inférieure à 60V après deux secondes si CX est supérieur à 300nF, tandis qu'une tension plus élevée est autorisée pour des valeurs inférieures à 300nF ou dans des environnements accessible uniquement au personnel spécialisé. Dans les installations médicales, la limite est de 60 V en moins d'une seconde conformément à la norme EN 60601-1, mais ce n'est pas une exigence si CX est inférieur à 300 nF.
La valeur de R1 doit être calculée pour la tension alternative la plus élevée de la ligne CC et conformément à la norme EN 62368-1 ; s'il est placé avant un fusible, il doit également résister aux tensions transitoires avec un écart de valeur de résistance ne dépassant pas 10 %. Pour les grandes valeurs de CX, R1 doit avoir une résistance relativement faible afin de répondre aux spécifications de temps de décharge, avec une dissipation de puissance continue correspondante. Cela peut être un problème lorsque vous essayez de respecter les limites de pertes à vide ou en veille telles que définies dans les directives DoE aux États-Unis et ErP en Europe.
L est une inductance à deux enroulements à «courant compensé» qui atténue le bruit de mode commun généralement généré par des tensions à fréquence de commutation élevée en contrôlant les courants de bruit à la terre via des capacités d'alimentation internes renvoyées par la ligne et le neutre. Avec une synchronisation comme celle représentée sur la figure, le champ magnétique issu du courant de fonctionnement normal et du courant de "mode commun" dans la ligne s'annule et le neutre "voit" une impédance élevée. Les deux condensateurs CY divisent le courant de sorte qu'il circule localement au lieu de passer par la source CA. L1 peut être élevé car le champ de courant de fonctionnement s'annule et empêche la saturation du noyau, mais parfois le couplage de l'enroulement est délibérément réduit pour permettre une certaine inductance de fuite pour aider à atténuer le mode différentiel, réduisant peut-être la valeur de CX.
Les deux condensateurs CY doivent également être certifiés par une agence de sécurité car si l'un est court-circuité et que la masse de l'équipement est déconnectée, le courant peut circuler à travers son boîtier. Même si le condensateur ne tombe pas en panne, si la connexion à la terre est déconnectée par inadvertance, il peut y avoir suffisamment de "courant de fuite" pour donner une décharge, d'où les valeurs de capacité sont limitées à fournir un "toucher" et un courant de fuite "boîtier" maximum conformément à la norme applicable. Les limites peuvent aller de milliampères dans certaines zones industrielles avec des mises à la terre câblées à moins de 10 µA dans les environnements médicaux à liaison flottante pour les procédures cardiaques. Les condensateurs sont également sélectionnés en fonction de la classe de source AC : Y1, Y2, Y3 et Y4 pour les pics de tension de test jusqu'à 8 kV.
Le fusible de la figure 1 est souvent inclus dans les filtres modulaires montés sur panneau tels que le type bien connu IEC320-C14 (Figure 2). Certaines normes exigent qu'il n'y ait qu'un seul fusible dans la connexion à la ligne, tandis que d'autres en médecine et en technologie de l'information exigent que la ligne et le neutre soient fusionnés. Lorsqu'il n'y a qu'un seul fusible, si l'entrée est accidentellement inversée, le fusible passe au neutre et est contourné lorsque le neutre et la terre sont communs, laissant ainsi une protection dans les fusibles ou les disjoncteurs installés plus haut et qui pourraient être partagés avec d'autres équipements. et donc avec un courant de déclenchement élevé. Si ce courant pénètre dans l'équipement filtré, il pourrait présenter un risque d'incendie. Lorsqu'il y a des fusibles sur la ligne et le neutre, l'alimentation inverse est couverte. Cependant, si le fusible de la connexion neutre s'ouvre en raison d'un défaut tel qu'une surintensité entre la ligne et le neutre, l'équipement est apparemment "mort" mais a des connexions sous tension. Pour contrer cela, la valeur du fusible neutre peut être d'un degré au-dessus de la ligne, de sorte que le fusible de ligne s'ouvrirait normalement plus tôt.
Figure 2 : Filtre EMI typique avec fusible monté sur panneau.
Sélection de filtres modulaires
Il existe plusieurs formats mécaniques disponibles pour les filtres modulaires ; Montés sur châssis, souvent blindés sur six côtés avec une fixation directe à un châssis mis à la terre, sont plus efficaces avec un câblage court vers un fusible et un connecteur d'entrée. Les connecteurs d'entrée IEC avec filtre intégré sont un choix populaire pour le montage par vis ou par pression, avec un ou deux fusibles en fonction de l'environnement d'application. Le type C14 a un courant nominal de 10A et le type C20 va jusqu'à 20A ou plus.
Les versions de chaque type sont fournies sans condensateurs "Y" pour les applications médicales avec un courant de fuite maximum dont la valeur typique est de 5µA. Cela réduit l'atténuation du bruit en mode commun qui pourrait être nécessaire pour les filtres en cascade, par exemple.
La puissance de charge définit la valeur du courant de filtre qui permet la tension d'entrée et le facteur de puissance de la charge les plus bas. Par exemple, pour une charge de 300W avec un facteur de puissance de 0,8 à un minimum de 90VAC, la consommation de courant est
300/ (0,8 x 90VAC) = 4,16A ce qui suggère un filtre 5A.
Les filtres modulaires sont accompagnés de tracés d'atténuation en fonction de la fréquence, et un type peut initialement être choisi en mesurant les performances sans le filtre, puis en le soustrayant de la cible pour fournir l'atténuation de filtre souhaitée. Les données de performance des filtres sont présentées dans des conditions de test particulières, généralement avec une source de 50 ohms et une impédance de charge, de sorte qu'en pratique, l'atténuation dépend du circuit final. L'impédance de la source AC peut être normalisée au moyen d'un LISN (Line Impedance Stabilization Network) mais la charge peut être très différente de 50 ohms, varier avec la fréquence et même présenter une impédance incrémentale négative. Il existe également le risque que des résonances avec d'autres filtres en série provoquent des résultats inattendus, amplifiant même plutôt qu'atténuant les EMI à certaines fréquences.
A titre expérimental, le graphique de la Figure 3, montrant le niveau EMI d'un convertisseur AC/DC XP Power, type PBR500PS12B, à 230VAC et 180W de charge. Le variateur a démontré sa conformité aux limites d'émission de la courbe B de la norme EN55032 avec une bonne marge et avec la détection de quasi-crête comme l'exige la norme. Ajout d'un autre filtre, le XP Power FCSS06SFR, dont les caractéristiques d'atténuation peuvent être vues dans le Figure 4. La ligne pleine est l'atténuation en mode commun et la ligne pointillée est l'atténuation en mode différentiel.
La Figure 5 fournit un graphique de l'effet combiné des émissions jusqu'à environ 1 MHz, l'atténuation totale en dB étant la valeur d'origine ajoutée à celle du filtre. Cependant, au-dessus de quelques MHz, l'atténuation est en deçà des attentes. En effet, le filtre ne "voit" pas la terminaison de 50 ohms aux hautes fréquences, ce qui réduit son effet d'atténuation et confirme la nécessité de mesures pratiques pour confirmer le respect des limites d'émission.
Figure 3 : Alimentation AC/DC, avec filtre interne uniquement.
Figure 4 : Filtre modulaire de type XP FCSS06SFR.
Figure 5 : Alimentation CA/CC avec un filtre externe ajouté.
l'aide est disponible
Le type et les performances des filtres EMI modulaires constituent un choix difficile et vital pour éviter les coûts potentiels de reconception dans les tests CEM lorsque le produit devrait être proche de la commercialisation. L'installation d'un grand filtre coûte cher et peut même se retourner contre vous avec des résultats inattendus. Le fabricant XP Power est là pour vous aider grâce à sa large gamme de filtres pour compléter vos produits convertisseurs AC/DC avec la possibilité de choisir entre différents niveaux de courant et caractéristiques d'atténuation aux formats de montage IEC et châssis. Des versions sont disponibles pour toutes les applications, y compris des versions à faible fuite pour les applications médicales, auxquelles s'ajouteront d'autres modèles prévus pour les applications à courant fort et triphasé. Il dispose également de filtres à plusieurs étages qui augmentent l'atténuation, ainsi que de versions personnalisées en fonction des besoins.
XP Power offre une prise en charge complète des applications pour ses produits et peut aider aux tests de conformité des produits de ses clients grâce à l'utilisation gratuite de ses propres installations de test CEM sur les sites de l'entreprise dans le monde entier.
