Allocation des interférences électromagnétiques au niveau système pour les modules d'alimentation des lasers

Allocation des interférences électromagnétiques au niveau système pour les modules d'alimentation des lasers

Abstract

Un module de commande laser intègre dans un seul châssis un étage d'entrée à commutation dure, un convertisseur élévateur de fréquence de 200 à 400 kHz, des amplificateurs galvanométriques PWM et un pilote de commutateur Q de 1000 volts ; il est donc à la fois source d'émissions et source de nuisances sonores. Le dépassement des limites industrielles exige une planification de la répartition des décibels entre la source, l'agencement, les filtres et le châssis. Cet article présente les calculs de répartition, quatre scénarios de défaillance au niveau du système et six solutions de conception permettant de maintenir une marge de sécurité suffisante dans tous les modes de fonctionnement.

1. Introduction

Un module d'alimentation pour commande laser contient simultanément tous les types de sources de bruit : un étage d'entrée à commutation dure, un convertisseur élévateur de fréquence de 200 à 400 kHz pour les diodes de pompage, des amplificateurs PWM pour les moteurs galvanométriques et un pilote kilovolt avec des fronts nanosecondes pour le commutateur Q.

Chaque étage génère des parasites conduits sur le réseau électrique et des parasites rayonnés dans le châssis. Chacun est également affecté, car le codeur galvanométrique, les capteurs de température et les liaisons de communication doivent fonctionner à l'intérieur de ce champ électromagnétique.

Un filtre ajouté à un produit fini ne répond pas aux normes industrielles. Le travail doit être effectué dès la conception schématique, où le niveau sonore autorisé est défini, et il est ensuite respecté par le biais de l'implantation, du choix des composants et de l'intégration au châssis.

La vue système modifie la sélection des composants. Le condensateur X en amont est dimensionné en fonction de la limite de sécurité du temps de décharge, tout en définissant la limite de fonctionnement en mode différentiel. Les condensateurs Y sont limités par la limite de courant de fuite à la terre, tandis qu'ils absorbent le courant de mode commun provenant d'étages situés à plusieurs mètres.

Le circuit de commande Q-switch nécessite des condensateurs de découplage haute tension dont le comportement en décharge partielle détermine si le filtre génère du bruit. Un composant, même optimal pour son étage, peut néanmoins induire une régression du système s'il déplace une résonance dans la bande de mesure.

2. Mécanisme de base

2.1 L'atténuation totale requise

L'atténuation qui ramène l'émission dans le pire des cas sous la limite se calcule à partir de trois nombres :

Attenuation_required = E_source − E_limit + Margin

où Attenuation_required est l'atténuation en décibels, E_source l'émission dans le pire des cas du module non supprimé en dBµV, E_limit la limite applicable en dBµV et Margin la marge de conception que vous avez l'intention de maintenir.

Pour une émission quasi-crête de 105 dBµV contre une limite de classe A de 73 dBµV avec une marge de 6 dB, l'exigence est de 38 dB. Cette valeur représente l'objectif de conception global et est répartie entre quatre mécanismes qui ajoutent des décibels :

Attenuation_total = A_source + A_layout + A_filter + A_shield

où A_source provient des fronts plus lents, A_layout d'une zone de boucle plus petite, A_filter des cellules de filtrage et A_shield de la liaison du châssis et de l'intégrité du boîtier.

2.2 La réduction à la source permet d'obtenir les décibels les moins chers

L'émission de chaque étage suit ses pentes de courant et de tension :

E_radiated ∝ f² × I_loop × A_loop / d

où E_radiated est l'émission en champ lointain, f la fréquence, I_loop le courant de boucle, A_loop la surface de la boucle et d la distance de mesure.

C'est le terme de boucle que vous contrôlez. Réduire de moitié la surface de la boucle de commutation, de 20 nH à 10 nH d'inductance, permet de gagner 6 dB (soit 20 × log10(2)) et ne nécessite qu'un effort de conception.

Le taux de coupure est l'autre levier, et il est doublement rentable car les émissions conduites et rayonnées en dépendent toutes deux :

ΔE_edge = 20 × log10(t_old / t_new)

où ΔE_edge est le changement d'émission à large bande, t_old le temps de bord d'origine et t_new le temps de bord ralenti.

Ralentir le pilote Q-switch de 5 ns à 20 ns permet de gagner 12 dB sans impacter la qualité du marquage, car la cellule Pockels n'est pas limitée en bande passante à cette vitesse.

2.3 Filtrage par étapes sur toute la gamme de fréquences

Chaque cellule de filtre ajoute une atténuation au-dessus de son coin, dans son propre ordre :

A_filter(f) = Σ 40 × log10(f / f_corner_i)

où A_filter(f) est l'atténuation du réseau à la fréquence f, f_corner_i le coin de la cellule i, et la somme passe sur chaque cellule, avec f bien au-dessus de chaque coin.

Une cellule du second ordre gagne 40 dB par décade ; ainsi, une petite cellule locale à l’étage haute tension couvre la bande de 10 à 100 MHz où le filtre secteur est déjà inefficace. Ce dernier couvre la bande de 150 kHz à 10 MHz. L’attribution de cette bande permet à chaque cellule d’exploiter les zones où les autres sont faibles.

Les valeurs aux extrémités du spectre ne sont maintenues que si les condensateurs conservent leurs valeurs. Un composant N4700 de classe I, avec une tolérance de ±30 ppm/°C, conserve sa valeur aux extrémités du spectre depuis un démarrage à froid jusqu'à une stabilisation thermique ; ainsi, les 38 dB mesurés en laboratoire correspondent aux 38 dB fournis au client.

2.4 Le châssis participe au filtrage

L'impédance de liaison détermine la quantité de courant de mode commun qui reste dans le châssis et celle qui s'échappe vers le réseau électrique :

Z_bond = jωL_bond

où Z_bond est l'impédance de liaison, ω la fréquence angulaire et L_bond l'inductance de la liaison.

Une liaison de 10 nH présente une résistance de 1.9 Ω à 30 MHz. Un câble de 15 cm avec une résistance de 150 nH présente une résistance de 28 Ω à la même fréquence, ce qui correspond à une perte de blindage de 23 dB pour une simple vis et un seul fil. À 30 MHz, la liaison fait partie intégrante du filtre et doit être traitée comme telle.

Fig. 1 — Douze des 38 dB proviennent du ralentissement du front du commutateur Q à 20 ns ; le reste est réparti entre la géométrie de la boucle, une cellule de mode commun locale et le filtre secteur.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Émissions dépendant du mode de fonctionnement

La machine fonctionne correctement en veille et tombe en panne lors du marquage en rafale, ou inversement. La source dominante change selon le mode : l’étage d’entrée domine en veille, le pilote de commutateur Q lors des rafales et les amplificateurs galvanométriques lors du balayage.

Un filtre secteur a été optimisé pour le mauvais mode. Le système nécessite un filtre à chaque source et un cycle de qualification dans chaque mode.

Point sensible n° 2 : Suppression dépassant le seuil de fuite

Un ingénieur ajoute une capacité Y pour aplanir un pic de mode commun et dépasse la limite de courant de fuite à la terre lors de la certification. La capacité admissible est fixée à 13.8 nF par milliampère à 230 V et 50 Hz, selon la formule C = I/(2πfV).

Un condensateur Y de 4.7 nF consomme 0.34 mA sous cette tension. Dix condensateurs de ce type consomment 3.4 mA, soit la quasi-totalité de la limite industrielle de 3.5 mA avant même de prendre en compte les autres courants de fuite. Il est donc impératif de concilier protection et sécurité.

Point faible n° 3 : Liaison et routage qui annulent l’efficacité d’un bon filtre

Un filtre bien conçu perd de son efficacité lorsqu'un câble de blindage de 15 cm ou un câble passant à travers l'étage de commutation est utilisé. À 30 MHz, ce câble ajoute 150 nH et 28 Ω, contre 1.9 Ω pour une liaison de 10 nH.

La machine fonctionne correctement en laboratoire, mais présente une défaillance chez le client, car le câblage du laboratoire s'est avéré être de meilleure qualité. La marge de sécurité doit être maintenue lors de l'installation finale.

Point faible n° 4 : Bruit parasite de l’étage haute tension qui contourne le filtre

Le courant de mode commun du circuit de commande du transistor Q-switch pénètre dans le châssis et rejoint la masse du secteur via la liaison, évitant ainsi son passage par le filtre secteur. Seule une cellule de mode commun locale, au niveau de l'étage haute tension, l'intercepte ; cette cellule nécessite des condensateurs haute tension dont la dissipation de puissance est inférieure à 5 pC afin de ne pas générer de bruit de décharge.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Indiquer la répartition des décibels avant le schéma

Estimez les émissions de chaque étage à partir d'une topologie similaire ou par simulation, soustrayez la limite et répartissez le résultat entre la réduction à la source, les filtres locaux, le filtre secteur et le châssis. Revoyez cette répartition à chaque revue de conception afin que la CEM devienne un paramètre suivi.

Stratégie 2 : Ralentir les bords là où la qualité du marquage le permet

Le réglage de la résistance de grille et du circuit d'amortissement permet de réduire la durée d'impulsion du circuit de commande du commutateur Q de 5 ns à 20 ns, ce qui représente une réduction de 12 dB sur la bande passante et aucun coût supplémentaire pour les composants. Vérifiez d'abord la fidélité de l'impulsion, puis ralentissez le front d'impulsion autant que la chaîne optique le permet. diode à récupération rapide sur le même chemin, elle définit sa propre pente de récupération, qui relève du même calcul.

Stratégie 3 : Placer une cellule locale à chaque source de bruit

Ajoutez des cellules différentielles et de mode commun à l'entrée de chaque convertisseur, en utilisant des cellules N4700 de classe I. des condensateurs à disque en céramique Ainsi, chaque compartiment conserve son étanchéité quelle que soit la température et aucune scène ne déverse son bruit sur le bus partagé. résistance à couche épaisse La position d'amortissement empêche ces cellules de vibrer d'elles-mêmes.

Stratégie 4 : Résoudre conjointement les problèmes de fuites et de marges de suppression

Calculez la capacité Y maximale à partir de la limite de fuite, puis répartissez la suppression sur cette capacité, en utilisant des cellules qui offrent la plus grande atténuation par picofarad. Classes X et Y Un condensateur à faibles pertes et sans décharge partielle offre la meilleure atténuation pour les milliampères qu'il consomme.

Stratégie 5 : Concevoir le châssis comme un étage de filtration

Utilisez des bornes de câble à 360° pour fixer les blindages, établissez un plan de masse dédié à faible inductance entre la section haute tension et le filtre d'entrée, et reliez les sous-ensembles à la terre en étoile. Mesurez l'impédance de liaison de 100 kHz à 100 MHz pendant la phase de mise en service et maintenez-la sous la barre des 10 nH pour chaque liaison.

Stratégie 6 : Se qualifier dans tous les modes à la température de fonctionnement

Effectuez la mesure complète en mode veille, ligne unique, rafale et à vitesse galvanométrique maximale à une température ambiante de 55 à 60 °C, et conservez les courbes de maintien de la valeur maximale pendant un cycle de marquage complet. Acceptez la conception avec une marge de 6 dB dans le mode le plus défavorable, car un test à un seul mode et une seule température ne permet pas de détecter la dépendance au mode ni la dérive.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC sur la chaîne EMI

Une cellule de filtrage ne conserve son intégrité que si son condensateur conserve sa valeur. HVC fabrique les condensateurs pour chaque étage de la chaîne, du filtre secteur au bypass Q-switch 40 kV, dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan et pour une plage de tensions allant de 1 kV à 100 kV.

Six paramètres importants ici

• Coins stables. Un coefficient de ±30 ppm/°C et un tanδ inférieur ou égal à 0.1 % maintiennent chaque coin du filtre à sa fréquence nominale, du démarrage à froid jusqu'à un maintien à 60 °C.
• Cellules haute tension. La plage de 1 kV à 100 kV couvre la cellule en mode commun local aux étages de commutation Q et de cellule de Pockels, où le bruit à large bande commence.
• PD inférieure à 5 pC à la tension nominale, donc une cellule haute tension supprime le bruit et ne génère pas de bruit de décharge propre.
• Faible ESL. La construction coaxiale maintient la résonance parasite d'une cellule de filtrage au-dessus de 100 MHz, ce qui élimine les pics d'anti-résonance qui rendent inefficaces les configurations conventionnelles entre 5 et 30 MHz.
• Les valeurs ESR et ESL étant connues pour la position d'amortissement, le facteur Q de la cellule provient de la résistance que vous avez choisie.
• Une fiabilité éprouvée en matière de remplacement. La série 40 kV / 441 condensateurs poignée de porte sont un remplacement direct qualifié pour Murata Les condensateurs à vis sont désormais utilisés dans le cadre du programme de réparation sur le terrain des sources lumineuses de lithographie, et les développeurs de DUV spécifient désormais des composants HVC dans les nouvelles sources lumineuses.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits de filtres appariés sous 6 à 10 semaines. Le service d'ingénierie d'applications HVC prend en charge l'allocation des décibels, la conception de filtres étagés et l'optimisation conjointe des fuites. Veuillez transmettre les mesures d'émission, les limites et marges, la tolérance aux fuites et la liste des étages. HVC vous fournira une fiche de sélection des filtres avec les données de pertes d'insertion sous cinq jours ouvrés.

6. Questions fréquentes

Q1 : De quelle atténuation mon module a-t-il besoin ?

L'atténuation = E_source − E_limite + marge. Une source de 105 dBµV face à une limite de classe A de 73 dBµV nécessite 32 dB, et 38 dB une fois qu'une marge de 6 dB est prise en compte.

Q2 : Où puis-je trouver les décibels les moins chers ?

À la source. Ralentir le front du commutateur Q de 5 ns à 20 ns permet de récupérer 12 dB par rapport à 20×log10(4), et réduire de moitié la surface de la boucle de commutation permet de récupérer 6 dB supplémentaires sans coût de composant.

Q3 : Quelle capacité Y puis-je ajouter ?

La formule C = I/(2πfV) donne 13.8 nF par milliampère à 230 V et 50 Hz. Un composant de 4.7 nF consomme 0.34 mA ; dix composants de ce type consomment donc 3.4 mA sur une limite industrielle de 3.5 mA.

Q4 : Pourquoi un même filtre réussit-il en laboratoire et échoue-t-il sur le terrain ?

La liaison et le cheminement des câbles ont été modifiés. Un câble de blindage de 15 cm ajoute 150 nH, soit 28 Ω à 30 MHz contre 1.9 Ω pour une liaison de 10 nH ; ainsi, 23 dB de la conception disparaissent lors de l'installation.

Q5 : Pourquoi l'étage HV a-t-il besoin de son propre filtre ?

Le courant de mode commun atteint la masse du secteur via la liaison du châssis et n'est jamais filtré par le secteur. La cellule locale l'intercepte à la source et doit présenter une dissipation de puissance inférieure à 5 pC pour éviter d'ajouter du bruit de décharge.

Q6 : Pourquoi qualifier à la température de fonctionnement ?

En effet, les coins du filtre et les fuites subissent une dérive. Un maintien à 60 °C, chaque mode de fonctionnement étant exécuté successivement, révèle la dépendance au mode et la dérive thermique qu'un seul cycle à 25 °C masque.

7. Références

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd. Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2003.
3. Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques 1995.
4. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
5. CEI 60384-14:2023, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 14 : Spécifications techniques - Condensateurs fixes pour la suppression des interférences électromagnétiques et le raccordement au réseau électrique, 5e éd. Genève : CEI, 2023.
6. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-5 : Techniques d’essai et de mesure – Essai d’immunité aux surtensions, Éd. 3.1. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2017.
7. CEI 62477-1:2022, Exigences de sécurité pour les systèmes et équipements de conversion d'électronique de puissance - Partie 1 : Généralités, 2e éd. Genève : CEI, 2022.
8. GB/T 17702-2021, 电力电子电容器 (Condensateurs pour l'électronique de puissance). Pékin : 国家市场监督管理总局, 2021.
9. H. Liu et al., Effets du champ électromagnétique sur le comportement des décharges partielles dans le BOPP Condensateurs film, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, n° 6, p. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
10. ANP109 : Spectres d’impédance de différentes technologies de condensateurs, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109 .
11. Applications des condensateurs de sécurité X et Y : Table ronde virtuelle (1re partie sur 2) (avec E. Drehmer, TDK Electronics et D. West, AVX), Power Electronic Tips, 15 octobre 2020, https://www.powerelectronictips.com/x-and-y-safety-capacitor-applications-virtual-roundtable-part-1-of-2/ .
12. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com