Les interférences électromagnétiques (EMI), ou bruit électrique, sont générées par tout, des téléphones portables aux éruptions solaires, et peuvent rendre la transmission précise d'un signal aussi difficile que d'essayer d'avoir une conversation claire dans une pièce bruyante. Pour améliorer la clarté du signal dans les circuits électroniques, les concepteurs d'appareils se tournent vers les filtres de suppression EMI.

Un filtrage EMI efficace est nécessaire pour presque tous les appareils électroniques modernes, y compris les appareils qui génèrent leurs propres EMI, ainsi que les appareils sensibles aux EMI dans leur environnement, et est particulièrement important dans les applications de haute fiabilité qui utilisent des signaux de faible puissance et ont exigences strictes en matière de fidélité du signal. Les filtres EMI haute fiabilité sont conçus pour satisfaire ou dépasser systématiquement les exigences de performances et sont d'une importance vitale pour toute industrie où le coût des pannes est élevé. Par exemple, de nombreuses applications médicales, militaires et de défense dépendent de filtres de haute fiabilité pour la transmission et la réception précises des signaux nécessaires pour garantir la sécurité des patients et des soldats ou pour réussir la mission. Les filtres haute fiabilité jouent également un rôle crucial dans un certain nombre d'applications commerciales, telles que l'instrumentation, où la sensibilité aux signaux de faible puissance dans un environnement bruyant est une exigence.

Figure 1: Le concept de base du filtrage EMI.

PROPRIÉTÉS DE FILTRAGE

L'objectif principal d'un filtre EMI est de supprimer la transmission de fréquences sélectionnées d'un signal donné. Dans la plupart des cas, un simple filtre passe-bas, qui laisse passer un signal basse fréquence tout en bloquant les bruits indésirables à haute fréquence, sera suffisant. La fréquence de coupure est la fréquence à laquelle un filtre commence à atténuer une partie du signal et est généralement définie comme le point auquel l'amplitude du signal est de 3 décibels (dB) en dessous de la valeur nominale de la bande passante. Les valeurs de capacité et d'inductance d'un filtre sont soigneusement sélectionnées pour obtenir la fréquence de coupure et la réponse en fréquence souhaitées.

Les valeurs de perte d'insertion, qui font référence au rapport entre la force d'un signal inséré et la force du signal transmis et sont généralement exprimées en décibels, constituent une caractéristique essentielle de l'efficacité du filtre. La perte d'insertion idéale pour la gamme de fréquences d'intérêt est de 0 dB et est infinie pour toutes les autres fréquences. Cependant, les filtres sont des dispositifs complexes soumis à des influences externes, notamment l'inductance parasite, la capacité parasite, la résonance des composants et la résonance du circuit, qui rendent impossible une performance idéale. Une fois qu'un filtre a été conçu et produit, les utilisateurs peuvent analyser sa perte d'insertion sur une large gamme de fréquences pour obtenir une représentation précise de son enveloppe de performances.

D'autres caractéristiques qui affectent l'efficacité du filtre incluent la résistance en série équivalente (ESR), le facteur de dissipation (DF) et le facteur Q. Un faible ESR indique un filtre bien conçu qui ne dissipera pas beaucoup d'énergie pendant son fonctionnement. Le faible DF, qui prend en compte à la fois l'ESR et la réactance du condensateur filtré, en est un autre, car il s'agit de son inverse : le facteur Q, qui est également utilisé pour indiquer la qualité du filtre dans certaines industries.

SÉLECTION DES CIRCUITS

Il existe plusieurs configurations de circuits différentes utilisées pour le filtrage EMI, allant d'un seul condensateur mis à la terre à un circuit comportant jusqu'à trois éléments. Les sélections idéales dépendent des caractéristiques et propriétés uniques de l'appareil dans lequel le filtre sera utilisé, telles que l'impédance de l'appareil.

Tableau 1: Options de sélection du circuit de filtre EMI.

Figure 2: Perte d'insertion par rapport à la fréquence pour plusieurs configurations de filtres avec une pleine charge dans un 50 Ω équilibré
système qui prend en compte les résonances des composants et des circuits.

TENSIONS NOMINALES

Les performances du filtre EMI doivent être adaptées aux performances du condensateur pour un filtrage efficace. Les condensateurs céramiques, qui utilisent de très fines couches de diélectrique céramique pour séparer les couches conductrices les unes des autres et empêcher la libre circulation de l'électricité, peuvent être conçus pour résister à des tensions supérieures à 1,600 XNUMX V CC. Ainsi, les concepteurs de filtres doivent choisir les matériaux diélectriques appropriés et les dimensions les mieux adaptées à l'ensemble unique d'exigences de performance de chaque condensateur.

Les filtres doivent également être conçus et testés pour les conditions de tension alternative ou continue de chaque circuit. Les valeurs nominales des filtres CC ne sont pas les mêmes que celles des filtres CA, de sorte que la capacité d'un filtre à résister avec succès à une tension continue élevée ne prédit pas nécessairement ses performances lorsqu'il est exposé à une tension alternative élevée et vice versa. Par exemple, les filtres de courant alternatif auront souvent des valeurs de capacité inférieures pour éviter la surchauffe et les dommages résultant d'un échauffement par courant réactif, tandis que les filtres de courant continu devraient subir des sursauts de tension courts et irréguliers, comme ceux utilisés dans les défibrillateurs cardiaques implantables. subir un test de tension pulsée pour garantir l’intégrité du condensateur.

En plus d'être capables de résister aux tensions appropriées, les filtres bien conçus résistent également aux fuites de courant à travers le condensateur. Il est impossible de construire un condensateur qui empêche complètement ce flux d'électricité, mais les concepteurs de filtres peuvent atténuer le courant de fuite grâce à une sélection appropriée des matériaux afin de minimiser son impact sur les performances de l'appareil.

PLUSIEURS LIGNES FILTRÉES

Les appareils électroniques complexes nécessitent souvent un filtrage sur plusieurs lignes de signaux ou électriques. Une façon de les isoler les uns des autres consiste à utiliser une virole métallique spécialisée qui contient et agit comme une masse commune pour plusieurs filtres, reliant leurs boîtiers entre eux tandis que les broches restent isolées.

Un seul filtre de traversée EMI est généralement construit sous la forme d'un condensateur en forme de beignet appelé disque, dont les diamètres intérieur et extérieur servent de points de connexion pour le boîtier et le fil et servent de pôles au condensateur. Dans les applications où l'espace est limité, plusieurs condensateurs discoïdaux peuvent être intégrés dans une seule pièce de céramique appelée réseau de condensateurs et installés dans une traversée pour l'intégration de dispositifs. Ces types d'ensembles de traversée filtrée fournissent la plus forte concentration de filtres dans le plus petit volume physique et sont souvent utilisés dans les dispositifs médicaux implantables, dans lesquels une densité élevée et un volume minimal offrent un réel avantage concurrentiel, ainsi que pour le filtrage des connecteurs commerciaux et militaires.

Les fabricants de filtres expérimentés peuvent également développer des réseaux de traversées et de condensateurs entièrement testés et assemblés dans des formes et des tailles personnalisées pour faciliter une intégration transparente et en une seule étape dans des conceptions de dispositifs plus complexes afin de réduire le risque d'endommagement des composants ou d'erreurs d'installation. Il n’y a pas de limite stricte quant au nombre de condensateurs pouvant être intégrés dans un réseau, mais le coût augmente avec la quantité.

INTÉGRATION ET INSTALLATION DU SYSTÈME

Une variété de tailles de boîtiers et de longueurs de câbles sont disponibles pour répondre à des applications spécifiques. Par exemple, des filtres miniatures sont disponibles pour les applications soumises à des restrictions d'espace et de poids, et des conceptions personnalisées sont disponibles lorsque les tailles de boîtiers existantes ne conviennent pas parfaitement. Certains systèmes exigent également que les filtres présentent une résistance robuste à l'humidité et à d'autres contaminants, qu'ils utilisent des joints étanches à l'air qui empêchent les fuites de gaz ou qu'ils tiennent compte de variables environnementales telles que la réduction normale de la résistance d'isolation qui se produit lorsque la céramique chauffe. Des sélections réfléchies de matériaux et de méthodes d'installation peuvent atteindre ces caractéristiques et aider à prévenir la dégradation des performances tout au long de la durée de vie du composant.

Bien que les filtres doivent être installés dans un blindage EMI, tel qu'un boîtier conducteur bien mis à la terre, pour des performances optimales, les concepteurs d'appareils peuvent choisir parmi une variété d'options d'installation. Les soudures sont l'une des options les plus compactes, elles sont conçues pour résister à la chaleur de soudure dans un assemblage final et peuvent également fournir d'excellents niveaux d'herméticité. D'autres options incluent des filtres de type boulon, qui sont filetés et peuvent avoir une tête hexagonale ; les filtres cylindriques, qui ont le plus grand volume interne et peuvent accueillir des circuits complexes dans un seul boîtier, comme un filtre Pi ou T ; et des filtres à vis. Tous les styles de filtres ont la possibilité de sceller hermétiquement les deux extrémités du composant pour éviter le dégazage.

Des mesures supplémentaires peuvent être prises pour protéger l’intégrité du filtre pendant et après l’installation. Par exemple, préchauffer un joint de soudure avant de l'exposer à la température de soudure maximale peut éviter l'application de contraintes thermiques inutiles, et une manipulation délicate des boîtiers de filtres peut aider à prévenir la déformation mécanique.

ESSAIS ET INSPECTION

Lorsque les performances des filtres sont essentielles à la mission, la sélection des filtres doit être limitée à ceux qui ont été testés à 100 % pour les propriétés pertinentes. Les pièces standard de haute fiabilité sont soumises à des inspections électriques et visuelles et à des séquences de tests supplémentaires pour garantir davantage la fiabilité du filtre. Il existe également plusieurs normes US-MIL qui fournissent des exigences extrêmement spécifiques concernant les procédures et les résultats des tests électriques, mécaniques et thermiques. Étant donné que la plupart des céramiques ont une forte propension à la propagation des fissures, les composants céramiques présentant un soupçon d'instabilité mécanique tomberont généralement en panne dès le début. Les tests de résistance des filtres et condensateurs haute fiabilité éliminent toutes les pièces de qualité inférieure susceptibles de causer des problèmes à l'avenir.

AVX Corporation propose plusieurs niveaux de tests différents pour fournir la fiabilité requise pour de nombreuses applications. Les tests de niveau R sont plus rigoureux que les tests commerciaux standard et comprennent une variété de tests conçus pour simuler les performances du filtre sous contrainte. Les tests de classe B et de classe S incluent des tests plus complets que le niveau R, comme une inspection radiographique – un processus dans lequel une pièce est imagée aux rayons X afin d'examiner de manière non destructive sa structure interne. Le groupe A et le groupe B font référence à différents niveaux de test au sein d'un lot. Les tests du groupe A sont effectués sur tous les lots produits et comprennent certains tests effectués sur 100 % des pièces et d'autres effectués uniquement sur un échantillon. Les tests du groupe B sont généralement effectués sur un échantillon et comprennent des tests de durée de vie approfondis. Les pièces de niveau spatial, ou pièces de classe S avec tests du groupe B, représentent l'un des niveaux de fiabilité les plus élevés possibles pour un filtre EMI.

Tableau 2: Les procédures de test de niveau R d'AVX soumettent 100 % des pièces à ces tests dans l'ordre indiqué.
Les données récapitulatives pour le contrôle de niveau R sont partagées avec les clients et la vérification est incluse avec les expéditions de produits.

Tableau 3: Séquence de tests du groupe A d'AVX pour la certification MIL-PRF-28861. Ces tests sont effectués sur
une base de 100 % lorsque les clients spécifient une fiabilité de classe S ou de classe B.

Les séquences de tests réelles peuvent varier légèrement en fonction du fabricant du filtre et des exigences particulières de l'appareil, mais incluent souvent les tests décrits dans MIL-PRF-28861, MIL-PRF-31033, MIL-STD-202, MIL-STD-220 et d'autres spécifications. . Les fabricants de filtres expérimentés identifieront et exécuteront les meilleurs schémas de tests pour chaque application.

CONSIDÉRATIONS SUR LE COÛT ET LA FABRICATION

Les spécifications du filtre, y compris la complexité du circuit, les valeurs de tension et de courant, la taille et la résistance à la température, ainsi que le niveau de fiabilité souhaité et la quantité de tests requis pour y parvenir, tous les coûts du filtre à impact à des degrés divers. Même si bon nombre de ces facteurs sont régis par des exigences au niveau des appareils, il existe certains aspects de la conception des filtres dans lesquels les fabricants expérimentés peuvent être en mesure de réduire les coûts sans affecter notablement le fonctionnement du filtre. Tout compromis coût/performance doit être discuté en profondeur pendant la phase de conception afin de garantir qu'un produit de qualité puisse être créé à un coût raisonnable.

La sélection appropriée des matériaux est un élément de coût important, car les prix et les fonctionnalités peuvent varier considérablement entre les différentes options de matériaux. Par exemple, l'utilisation de palladium plutôt que de platine pour les câbles ou les terminaisons de condensateurs peut entraîner d'importantes économies de matériaux, mais peut rendre l'installation plus difficile. Certaines configurations de câbles et densités de baies peuvent également faire augmenter les coûts. Afin de faire les meilleurs choix, il est important de prendre en compte les dimensions du condensateur, telles que l'épaisseur et la forme, et d'avoir une bonne compréhension de l'environnement du processus d'assemblage. Des variables, notamment si les fils seront soudés ou autrement insérés dans le dispositif final, peuvent affecter la sélection des matériaux, car certaines options de matériaux sont les mieux adaptées à des méthodes de fixation spécifiques. Dans certains cas, les concepteurs d'appareils peuvent également avoir des connaissances que les concepteurs de filtres n'ont pas, comme la possibilité de réaliser de plus grandes économies grâce à une installation simplifiée ou optimisée qui rendrait une conception de filtre plus coûteuse et plus complexe.

Figure 5: Une coupe transversale d'une traversée filtrée médicale avec le condensateur, les fils et les éléments actifs et
joints rodés indiqués par des flèches.

De plus, des modifications apparemment mineures dans la conception des condensateurs peuvent avoir des effets extrêmement négatifs sur les processus de fabrication et de conception des dispositifs. Par exemple, de petits changements de capacité peuvent parfois nécessiter une refonte complète du condensateur. Alors que de nombreux appareils ont des exigences uniques qui exigent des filtres entièrement personnalisés, certains nouveaux appareils peuvent utiliser un modèle existant pour obtenir des délais de livraison plus courts et réduire les coûts de qualification et de pièce par pièce pour les volumes initiaux.

FILTRES COMMERCIAUX

Les réglementations relatives aux filtres et appareils commerciaux peuvent varier en fonction du pays dans lequel ils sont vendus. Par exemple, certains pays limitent la concentration de matières dangereuses dans les produits électroniques et peuvent exiger que les fabricants se conforment à RoHS ou à des normes similaires. Les concepteurs de filtres expérimentés connaissent bien ces exigences et peuvent discuter avec leurs clients de diverses options, telles que l'utilisation de polyimide conducteur au lieu de terminaisons sans soudure ni cadmium.

Les règles et réglementations concernant l’émission de rayonnements électromagnétiques peuvent également motiver la décision d’utiliser un filtre. En plus d'empêcher les EMI nocifs d'entrer dans un appareil, les filtres peuvent également empêcher les EMI de s'échapper et d'interférer avec d'autres équipements sensibles à proximité. Presque tous les pays ont des réglementations qui déterminent le type et la quantité approuvés d’EMI que les appareils peuvent générer.

Les accréditations, telles que l'enregistrement ISO 9001, peuvent contribuer à garantir que les fournisseurs suivent des pratiques de fabrication éthiques. En plus de ces types de normes de qualité, de nombreux pays et entreprises disposent également de réglementations concernant la sélection éthique des fournisseurs. Les fournisseurs de filtres éthiques se conforment à toutes les réglementations du travail de leur pays d'exploitation, ainsi qu'aux réglementations internationales plus larges, telles que la loi sur l'esclavage moderne de 2015, la SA8000, le code de conduite EICC et l'OIT 18000.

FILTRES AÉROSPATIAUX ET DÉFENSE

La fabrication de produits pour les entreprises de l'aérospatiale et de la défense nécessite le respect de règles et réglementations strictes qui régissent presque tous les aspects des performances, de la fabrication et des tests des appareils. Les entreprises de défense doivent souvent suivre des réglementations strictes concernant la manière dont elles sélectionnent et auditent leurs fournisseurs. Il peut y avoir une liste spécifique de fournisseurs qui ont reçu une accréditation selon certaines normes militaires américaines et/ou exigences d'autres pays qui doivent être respectées pour y vendre des pièces. Par exemple, les États-Unis exigent que les entreprises se conforment aux réglementations applicables en matière de conformité à l’exportation, telles que les réglementations sur l’administration des exportations (EAR) et les réglementations sur le trafic international des armes (ITAR). Les fournisseurs de l'aérospatiale et de la défense doivent également respecter certaines réglementations concernant la sécurité et la confidentialité des produits qu'ils fabriquent, ainsi que toute information concernant l'utilisation ou l'utilisateur prévu du produit. AVX figure sur la liste des produits qualifiés (QPL) du Defence Supply Center Columbus, qui fait partie du ministère américain de la Défense.

FILTRES POUR DISPOSITIFS MÉDICAUX

La technologie des dispositifs médicaux a progressé à un rythme fulgurant ces dernières années, les appareils devenant de plus en plus compacts, complexes et, dans certains cas, encore moins intrusifs pour les patients. En raison du monde de plus en plus connecté dans lequel nous vivons, ces appareils, ainsi que d’autres appareils sensibles, sont soumis à des niveaux croissants d’interférences électromagnétiques provenant de notre environnement. Tout dispositif médical non filtré risque d'être soumis à des interférences nuisibles provenant de diverses sources d'interférences électromagnétiques. Pour maintenir des niveaux élevés de précision et de fiabilité, de nombreux dispositifs médicaux utilisent des filtres EMI pour minimiser le bruit et maintenir la fidélité du signal. Les filtres pour dispositifs médicaux ont souvent des exigences spatiales parmi les plus strictes et utilisent donc couramment des réseaux de traversées filtrées ou des condensateurs discoïdaux miniatures, qui offrent des performances haute densité dans un emballage à faible volume.

Étant donné qu’une grande majorité des dispositifs médicaux implantables sont alimentés par batterie, il est important de minimiser la puissance des filtres pour prolonger la durée de vie des dispositifs. Mesurer et minimiser la résistance série équivalente (ESR) ou le facteur de dissipation (DF) peut aider à réduire au minimum la décharge inutile de la batterie, et une résistance d'isolation élevée (IR) peut aider à minimiser les fuites de courant à travers le condensateur. Les dispositifs médicaux implantables modernes utilisent généralement des piles primaires non rechargeables conçues pour durer 10 ans ou plus. Cependant, étant donné que la technologie des batteries d’implants à haute fiabilité n’a pas suivi le rythme de la miniaturisation de nombreux autres composants électroniques utilisés dans ces dispositifs, il est crucial de minimiser la consommation d’énergie pour atteindre les espérances de vie cibles des batteries et des dispositifs.

Les premiers stimulateurs cardiaques et autres dispositifs implantables n'étaient pas compatibles avec les examens d'imagerie par résonance magnétique (IRM) en raison de l'impact que de si grandes quantités d'IEM auraient sur le fonctionnement du dispositif. Heureusement, de nombreux dispositifs implantables se sont depuis améliorés au point de pouvoir résister en toute sécurité à certains niveaux d’exposition à l’IRM. Les méthodes par lesquelles les concepteurs de dispositifs médicaux garantissent que leurs appareils sont compatibles avec l'IRM et la manière dont ils sont testés peuvent être la propriété de chaque entreprise, mais nécessitent toujours différents types de filtres. C'est pourquoi les fabricants de filtres qui fournissent l'industrie des dispositifs médicaux doivent examiner attentivement la manière dont ces procédures de test et l'exposition ultérieure à l'IRM peuvent affecter les méthodes de fixation des sondes, l'utilisation d'une mise à la terre interne ou externe et d'autres caractéristiques.

Outre les exigences d'une plus grande fonctionnalité, plusieurs organismes de réglementation mondiaux imposent également des réglementations strictes, allant de la conception aux audits en passant par la documentation, aux fabricants de dispositifs médicaux et à leurs fournisseurs dans le but de garantir davantage la sécurité des patients. Il est donc essentiel que les concepteurs de dispositifs médicaux sélectionnent des fabricants de filtres ayant fait leurs preuves en matière de conformité aux réglementations et de produits fiables. Les concepteurs de dispositifs médicaux peuvent également bénéficier de l’utilisation de modèles de filtres existants lorsque cela est possible, car cela peut entraîner des économies de temps et de coûts pour les dispositifs implantables.

La conception optimale d’un filtre est nécessairement un processus collaboratif. Les filtres EMI ont un impact énorme sur la conception des appareils dans lesquels ils sont conçus, et sont également impactés par celle-ci. Il n’existe pas de solution universelle. La plupart des filtres sont soit personnalisés, soit entièrement conçus sur mesure pour une application spécifique, car même des modifications mineures des exigences électriques d'un filtre, comme une légère augmentation de la tension de fonctionnement, peuvent avoir des conséquences potentiellement catastrophiques si le filtre n'est pas correctement modifié pour répondre aux nouvelles spécifications. . Par conséquent, il est essentiel que les concepteurs de dispositifs et de filtres EMI travaillent ensemble et communiquent clairement sur les exigences et les limites de chaque aspect de chaque nouvelle conception. Des facteurs tels que la capacité, la tension nominale, les dimensions, l'herméticité et le coût doivent également être soigneusement équilibrés pour arriver à un résultat final optimal.

En général, les exigences élevées des appareils électroniques de haute fiabilité, et en particulier ceux utilisés dans les marchés exigeants de l'aérospatiale, de la médecine et de la défense, ont conduit à un besoin de filtrage EMI de plus en plus complexe. Grâce à des discussions détaillées sur les considérations de conception présentées dans cet article et à un examen attentif des exigences de performances propres à chaque appareil individuel, les concepteurs d'appareils et les concepteurs de filtres EMI peuvent travailler ensemble pour atteindre les niveaux de fiabilité les plus élevés possibles.