Produits de suppression du bruit / Filtres de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) / Dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD)
Guide des filtres anti-bruit
Principes fondamentaux de la lutte contre le bruit [Leçon 6] Bobines d'arrêt en mode commun
Dans la continuité de notre précédente discussion sur les condensateurs à trois bornes de type puce, nous aborderons dans cette leçon les bobines d'arrêt en mode commun.
<Les bobines d'arrêt en mode commun isolent le bruit des signaux en utilisant les modes de conduction>
Lors de nos précédentes discussions sur les perles de ferrite en puce et les condensateurs à trois bornes de type puce, nous avons expliqué comment ces composants exploitent les différences de fréquence, les fréquences du bruit étant relativement plus élevées que celles du signal. À ce titre, ils fonctionnent comme des filtres passe-bas qui suppriment de manière sélective uniquement le bruit. Les bobines d'arrêt en mode commun constituent également un type de filtre anti-bruit, mais plutôt que d'utiliser les différences de fréquence, elles séparent le bruit des signaux en s'appuyant sur les différences de mode de conduction. Nous devons donc tout d'abord comprendre la distinction entre les modes communs et les modes différentiels.
<Modes communs et modes différentiels>
En règle générale, dans le circuit électrique d'un circuit imprimé, le courant sortant d'une partie donnée atteint un autre circuit en passant par la charge, puis revient à son point d'origine en empruntant un autre chemin sur le circuit imprimé. (Dans de nombreux cas, le chemin de retour correspond au plan de masse du circuit imprimé.) Ce type de circulation est appelé « mode différentiel » (ou « mode normal »).
Il existe également un autre chemin de conduction, bien qu'il ne s'agisse pas d'un fil bien défini. Une infime capacité parasite est générée entre les fils du circuit imprimé et la surface de masse de référence, créant ainsi une voie de conduction dans laquelle la capacité circule en commun à travers tous les fils du circuit imprimé et revient dans la direction opposée le long de la surface de masse de référence. Cette voie est appelée « mode commun ».
Bien que la capacité parasite entre les fils et la surface de masse de référence soit très faible, l'impédance diminue à mesure que la fréquence du signal augmente, même avec cette capacité parasite minime, ce qui facilite la circulation du courant en mode commun. Normalement, le courant de mode commun n’est pas activement acheminé à travers le circuit électrique, mais si la masse d’un circuit d’alimentation ou d’un circuit intégré de commande vibre, l’ensemble du circuit qu’il pilote vibrera à son tour, ce qui entraînera un bruit de mode commun. Si un câble est connecté de l’extérieur au circuit, un courant de mode commun circulera également dans ce câble. Comme celui-ci présentera un potentiel électrique par rapport à la masse, ce courant sera émis sous forme d’ondes radio parasites.
<Les bobines d'arrêt en mode commun sont des filtres antiparasites qui n'agissent que sur les courants en mode commun>
Les bobines d'arrêt en mode commun sont des filtres antiparasites qui font la distinction entre les signaux et les parasites provenant des modes communs et différentiels mentionnés ci-dessus, ou modes de conduction. En termes simples, ce sont des filtres qui n'agissent que sur les modes communs.
La figure 3 présente un schéma de principe des bobines d'arrêt en mode commun.
Les selfs de mode commun sont constituées de deux fils conducteurs enroulés autour d'un seul noyau (un noyau en ferrite lorsqu'elles sont utilisées dans des applications à haute fréquence). Elles possèdent donc quatre bornes. Les fils sont enroulés autour du noyau dans des sens opposés. Lorsque des courants de mode commun traversent des bobines présentant ce type de structure, un flux est généré par le phénomène d’induction électromagnétique qui se produit dans chaque bobine. Cependant, comme la direction du flux généré est la même, les deux flux s’amplifient, renforçant ainsi leur action en tant qu’inductances. À l’inverse, les courants en mode différentiel circulant dans la bobine génèrent des flux dans des directions opposées qui s’annulent mutuellement. Par conséquent, la bobine n’agit plus comme une inductance vis-à-vis du courant en mode différentiel. Les selfs de mode commun sont donc des filtres qui agissent uniquement comme des inductances pour les modes communs, et non contre les modes différentiels.
<Avantages des bobines d'arrêt en mode commun>
Les selfs de mode commun présentent deux avantages.
(1) Même lorsque les fréquences des signaux et du bruit se chevauchent, leurs modes de conduction différents permettent de supprimer uniquement le bruit.
(2) Les performances ne diminuent pas, même en présence d'un courant différentiel important, car le noyau n'entre pas en saturation.
La caractéristique la plus importante des bobines d'arrêt en mode commun réside dans leur capacité à distinguer le bruit des signaux, même lorsqu'ils sont de même fréquence. Depuis quelque temps, de plus en plus d'appareils électroniques ont recours à la transmission différentielle à haute vitesse pour acheminer leurs signaux. Les normes USB, SATA et HDMI sont des exemples typiques de transmission différentielle à haut débit. Dans les lignes de transmission différentielles à haut débit, des signaux à très haute fréquence sont transmis, et les filtres tels que les perles de ferrite, qui séparent le bruit des signaux en fonction des différences de fréquence, ne parviennent pas à faire la distinction entre les deux. Mettre l’accent sur le signal signifie que le bruit ne peut pas être très bien supprimé, tandis que se concentrer sur la suppression du bruit atténue une partie du signal, ce qui affecte l’intégrité du signal. Les bobines d’arrêt en mode commun, en revanche, séparent les signaux du bruit en fonction des modes de transmission, de sorte que les signaux à haute vitesse qui traversent les bobines ne sont pas affectés s’ils sont en mode différentiel. Dans les lignes de transmission différentielles à haute vitesse, les signaux sont généralement uniquement en mode différentiel. Le bruit problématique est principalement du bruit en mode commun ; les bobines d’arrêt en mode commun peuvent donc être utilisées pour supprimer efficacement ce bruit sans affecter les signaux à haute vitesse.
Les câbles sont raccordés aux lignes électriques professionnelles et aux adaptateurs secteur secondaires qui reçoivent l'alimentation. Ces câbles font office d'antennes, et le bruit qu'ils émettent devient un problème. Lorsqu’on utilise des filtres de type inductance agissant sur les modes différentiels, tels que les perles de ferrite ou les bobines d’arrêt en mode normal, le noyau subit une saturation magnétique due aux courants importants qui le traversent, ce qui entraîne une réduction considérable de leurs performances en tant qu’inductances. Les bobines d’arrêt en mode commun sont très utiles dans ce type d’applications. Dans ces bobines, aucune saturation magnétique ne se produit, car les flux générés par les courants en mode différentiel s’annulent mutuellement et disparaissent. Les bobines d’arrêt en mode commun sont donc utilisées pour supprimer le bruit sur les lignes d’alimentation traversées par des courants importants.
<Exemples de bobines d'arrêt en mode commun>
La figure 5 présente quelques exemples de bobines d'arrêt en mode commun.
Les lignes électriques à courant alternatif étant soumises à une tension élevée, une attention particulière est accordée à la sécurité lors de la fabrication des bobines destinées à ces lignes. À l’inverse, les lignes de signal à haute vitesse nécessitant des bobines de plus petite taille, on utilise des bobines de type « chip » dans ces applications. D'autres bobines disponibles sur le marché sont du type à fil enroulé, qui consiste à enrouler un fil autour d'un noyau de ferrite, et du type à film, qui utilise des bobines en film. Le type à fil enroulé offre des performances élevées, tandis que le type à film se caractérise par une taille plus compacte. La figure 6 montre un exemple de structure d'une bobine d'arrêt de mode commun de type puce à fil enroulé. Deux lignes sont enroulées ensemble autour de la bobine, de sorte que la ligne sortante et la ligne de retour se trouvent l’une à côté de l’autre, ce qui augmente le couplage magnétique entre les lignes et améliore ainsi la sélectivité entre les modes communs et les modes différentiels.
<Précautions d'utilisation des bobines d'arrêt en mode commun>
La discussion menée jusqu’à présent a montré que les bobines d’arrêt en mode commun n’affectent pas les modes différentiels, mais cela n’est vrai que pour des bobines d’arrêt en mode commun idéales. En réalité, une partie du flux produit par les fuites des bobines opposées n’est pas annulée, ce qui entraîne une faible inductance. Cette inductance en mode différentiel est très faible, mais son influence doit être prise en compte dans les applications utilisant des signaux à très haute fréquence. La figure 7 présente un exemple de courbe d’impédance réelle pour une bobine d’arrêt en mode commun de type puce. On sait que l’impédance en mode différentiel augmente à partir d’environ 1 GHz. Des selfs d’arrêt en mode commun de type puce ont récemment été développées pour réduire encore davantage l’impédance en mode différentiel. Il convient de choisir des selfs d’arrêt en mode commun de type puce adaptées pour les ports DisplayPort, USB 3.0 et autres dispositifs utilisant des signaux à très haute fréquence.
Consultez le guide que nous mettons à votre disposition pour vous aider à sélectionner des selfs de mode commun de type puce destinées aux lignes différentielles à haut débit.
Guide de sélection des selfs de mode commun pour les lignes de transmission différentielles à haute vitesse
https://www.murata.com/products/emc/emifil/selectionguide/highspeed
*Les informations présentées dans cet article étaient à jour à la date de publication. Veuillez noter qu'elles peuvent différer des informations les plus récentes.
