Quand les pilotes de LED font bon ménage avec les interférences électromagnétiques

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Question : comment réduire les interférences électromagnétiques lorsque j’utilise des pilotes de LED dans une application d’éclairage ?


Réponse : en optant pour une alimentation Silent Switcher®.

La grande majorité des applications d’éclairage modernes utilisent des diodes électroluminescentes (LED). Un délai relativement bref a suffi à cette technologie d’éclairage pour s’imposer sur le marché. Dans la plupart des applications toutefois, une LED ne peut fonctionner seule et doit être associée à une alimentation électrique appropriée. En outre, ce circuit de commande doit naturellement être aussi efficace que possible pour réduire la consommation d’énergie, d’où l’utilisation d’alimentations à découpage.

Si la compatibilité électromagnétique (CEM) est un critère qu’il convient de prendre en compte indépendamment du type d’alimentation utilisé, c’est particulièrement le cas des éclairages par LED. Diverses normes de mesure, d’évaluation et de documentation des interférences générées par les éclairages par LED ont vu le jour au fil du temps.

Des interférences électromagnétiques mal maîtrisées peuvent avoir de graves conséquences. J’en ai été récemment le témoin privilégié après qu’une vieille ampoule à incandescence de type E27 utilisée pour éclairer le système d’ouverture électrique de mon garage a rendu l’âme. Une fois remplacée par une ampoule LED moderne, l’éclairage a fonctionné à nouveau, mais je ne pouvais plus ouvrir la porte du garage avec la télécommande ! Apparemment, les émissions produites par la LED provoquaient des interférences au niveau de l’électronique radio de la porte du garage.

Les émissions générées par une alimentation à découpage sont en partie « conduites » et en partie « rayonnées ». Les émissions électromagnétiques d’un pilote de LED peuvent donc être transférées par l’intermédiaire des lignes d’alimentation électrique, mais également injectées dans des segments de circuit adjacents par couplage magnétique ou capacitif. Quoique généralement inoffensives, ces émissions peuvent entraîner un dysfonctionnement au niveau des circuits adjacents.

Il semble dès lors logique de minimiser les émissions générées, mais quelles sont les exigences à respecter ? Tous les produits électriques et électroniques commercialisés au sein de l’Union européenne doivent porter le label CE. Ce marquage prouve qu’un produit est conforme aux règles de sécurité, de santé et de protection de l’environnement en vigueur dans l’UE, et que son transport est autorisé dans l’Espace économique européen. Des exigences concernant les émissions rayonnées existent dans d’autres parties du monde, par exemple les normes UL aux États-Unis et CSA au Canada.

De nombreuses normes sont spécifiquement liées à la sécurité et aux émissions des lampes à LED, parmi lesquelles la norme CISPR 11 publiée par le Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR). Nombre de règles et réglementations élaborées et publiées par l’Organisation internationale de normalisation (ISO), la Commission électrotechnique internationale (CEI), la Federal Communications Commission (FCC), le Comité européen de normalisation en électronique et en électrotechnique (CENELEC) ou la Society of Automotive Engineers (SAE) s’appuient sur les travaux du CISPR.

Les émissions conduites peuvent être réduites de manière prévisible en intégrant des filtres supplémentaires sur la ligne d’alimentation. Ces filtres sont conçus pour traiter les bruits de mode commun ou de mode différentiel. La gamme de fréquences habituellement concernée est ici inférieure à 30 MHz. Cependant, le développement de ces filtres n’est pas chose aisée. Un filtre est généralement optimisé pour une plage de fréquences spécifique, de sorte que les effets parasites et les changements de comportement des composants utilisés peuvent poser problème dans d’autres gammes de fréquences. Par exemple, un filtre peut être très efficace pour réduire les émissions générées par une alimentation à découpage à 100 kHz. Or, les alimentations électriques génèrent habituellement des émissions dans une large plage de fréquences, notamment au-dessus de 10 MHz. Ici, le filtre optimisé pour 100 kHz risque d’augmenter le niveau d’émissions par le biais d’interférences et de résonances.

Pour leur part, les émissions rayonnées ne peuvent être réduites de la même manière. Le contenu énergétique des inductances et des capacités parasites associées aux traces des cartes électroniques, ainsi qu’aux composants passifs, joue un rôle décisif. La gamme de fréquences se situe généralement au-dessus de 30 MHz, jusqu’au plafond fixé par les normes en vigueur. Il est très difficile de réduire ces émissions rayonnées, car cet exercice nécessite une grande expérience et de solides connaissances. En effet, le niveau d’émissions rayonnées peut être extrêmement élevé, notamment pour la commande d’éclairages à LED. Généralement, les LED sont commandées « en chaîne ». Ce montage en série occupe souvent un espace important sur la carte, de sorte que la disposition géométrique affiche les propriétés d’une antenne, et les émissions générées sont rayonnées de manière particulièrement efficace. Le blindage des circuits électriques est une tâche à la fois complexe et onéreuse, qu’il est pratiquement impossible d’accomplir dans le cas des LED, en partie parce que l’éclairage souhaité ne peut traverser un écran métallique. La solution consiste donc à générer une faible quantité d’émissions rayonnées.

Pour concevoir des ampoules à LED avec une alimentation électrique, il convient de tenir compte des possibilités suivantes en matière de compatibilité électromagnétique :

  • ajout de filtres à toutes les entrées et sorties de l’alimentation électrique sans comprendre réellement les émissions concrètes : cette solution est généralement synonyme d’une augmentation du coût en composants surdimensionnés, mais également des coûts de fabrication ;
  • réutilisation d’un filtre dont le concept est éprouvé, mais sans l’adapter à chaque utilisation : ici aussi, le coût en composants peut être plus élevé, et la conception du filtre loin d’être optimale.
  • recours à un expert pour assurer la conception du filtre : dans ce cas, l’intervenant extérieur doit être disponible au bon moment, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.
  • sélection de régulateurs à découpage déjà conçus pour minimiser les émissions et une compatibilité électromagnétique (CEM) optimale : dans ce cas, un filtrage minimal, voire nul, est nécessaire.

La plupart des pilotes de LED sont des convertisseurs élévateurs (step-up), tels que représenté à la figure 1. Les convertisseurs élévateurs se caractérisent généralement par des émissions conduites plus basses côté entrée. Les courants d’entrée sont non pulsés (boucle de courant bleue). En sortie cependant, les émissions sont très élevées. Ici en effet, des courants pulsés traversent la diode de roue libre (boucle de courant rouge). Pendant la durée de conduction, c’est-à-dire lorsque l’interrupteur connecté à la terre est fermé (on), l’inductance est chargée, et le courant ne circule pas dans la diode de roue libre. L’énergie totale utilisée pour alimenter la charge pendant cette période provient du condensateur de sortie.

Figure 1. Schéma d’un convertisseur élévateur, une topologie couramment utilisée pour les pilotes de LED.

À la figure 1, le flux de courant pendant la période de conduction (on-time) est représenté en bleu — en vert pendant la période de blocage (off-time). Tous les chemins dans lesquels le flux de courant change au cours d’une très brève période — temps de transition de commutation — sont représentés en rouge sur la figure 1. Quelques nanosecondes suffisent pour que l’état de ces chemins passe de « circulation du courant » à « annulation du courant ». Ces chemins critiques doivent être conçus pour être aussi courts et compacts que possible afin de réduire les émissions rayonnées.

On trouve depuis peu sur le marché des régulateurs à découpage qui génèrent des émissions rayonnées nettement plus faibles grâce à de récentes innovations. Les chemins critiques sont disposés de manière symétrique, de telle sorte que les champs magnétiques générés s’annulent largement en raison des différentes directions de circulation du courant.

Figure 2. Application du concept Silent Switcher à un convertisseur élévateur avec des champs magnétiques qui s’annulent largement mutuellement.

La figure 2 représente la disposition symétrique de cette topologie. Le champ magnétique généré dans la boucle rouge supérieure est de même amplitude que le champ de la boucle rouge inférieure, mais il pointe dans la direction opposée, ce qui donne l’effet d’une annulation du champ. Analog Devices a commercialisé cette technologie sous le nom de Silent Switcher. Outre cette innovation, l’inductance parasite est sensiblement réduite dans tous les segments critiques de la ligne, entraînant ainsi une réduction considérable des champs rayonnés. La topologie Silent Switcher utilise une topologie de transistors de puissance propriétaire pour obtenir cette annulation magnétique. La longueur du chemin entre les transistors de puissance et les condensateurs de sortie du convertisseur élévateur (la boucle « chaude ») détermine l’inductance concernée par ce champ magnétique. La technologie Silent Switcher 2 réduit considérablement la longueur de ce chemin grâce à la technologie « flip chip ». Dans ce cas, le silicium du régulateur à découpage n’est pas relié au boîtier du circuit intégré par des fils, mais par des piliers en cuivre dont l’inductance est beaucoup plus basse. Ainsi, pour une même vitesse de commutation de courant, le décalage de tension sera beaucoup plus faible — de même que, par conséquent, le niveau des émissions rayonnées. Il est donc tout à fait possible de réduire sensiblement les interférences électromagnétiques en utilisant des circuits de commande de LED optimisés. Dans certains cas, il est même possible de respecter certaines limites d’interférences sans recourir à des filtres EMI.

La figure 3 représente un circuit à très faible niveau d’émissions rayonnées. Ici, le LT3922-1 fonctionne au sein d’un circuit d’amplification (boost circuit). Une chaîne de 10 diodes LED de 333 mA est commandée sous une tension d’entrée comprise entre 8 et 27 V. Pour cette constellation, la commutation se fait à la fréquence de découpage de 2 MHz, et les émissions générées sont minimales.

Figure 3. Exemple de circuit de pilote de LED Silent Switcher optimisé pour des émissions minimes et un comportement CEM optimum.

La figure 4 représente les émissions rayonnées moyennes avec le circuit de la figure 3. Les lignes rouges indiquent les limites respectives de la spécification CISPR 25. Comme on peut le voir, cette spécification est respectée sans difficulté (ci-dessous).

Figure 4. Interférences électromagnétiques rayonnées moyennes (CISPR 25) avec le LT3922-1 représenté à la figure 3.

Un driver de LED comme le LT3922-1 conçu pour de faibles émissions offre souvent la possibilité d’activer une fonction de modulation de fréquence à étalement de spectre (SSFM — Spread Sprectrum Modulation Frequency). Si elle ne réduit pas nécessairement les émissions réelles générées, cette fonction permet d’étaler les émissions sur une plus large gamme de fréquences, avec à la clé de meilleurs résultats dans les mesures effectuées selon les différentes normes de compatibilité électromagnétique. Le LT3922-1 exécute cette fonction entre la fréquence de commutation réglée et 125 % de cette valeur. L’étalement du spectre peut également avoir un effet très important dans les bandes VHV et UHV, abaissant l’émission de toute fréquence au-dessous du niveau qui affecterait les communications radio.

Comme pour tout régulateur à découpage, la conception de la carte électronique est très importante pour les pilotes de LED. Des innovations telles que les technologies Silent Switcher et Silent Switcher 2 contribuent à améliorer de façon considérable la compatibilité électromagnétique, mais il demeure important d’éviter toute erreur dans la disposition des composants sur le circuit imprimé. Le placement des composants critiques qui conduisent les courants rapidement commutés est particulièrement décisif pour minimiser les émissions rayonnées. Le niveau d’inductance parasite inclus dans ces chemins doit être le plus bas possible, et les boucles de courant conçues de manière aussi compacte que possible. Des documents détaillés tels que la fiche technique du circuit LT3922-1 fournissent des informations précises pour respecter ces différents critères.

Certains drivers de LED actuellement disponibles sont spécialisés dans la réduction des émissions électromagnétiques. Pour ce faire, ils utilisent des innovations clés accomplies dans le domaine des régulateurs à découpage, notamment les technologies Silent Switcher et Silent Switcher 2 d’Analog Devices. Lorsque des projets sont réalisés avec ces circuits intégrés, il est relativement aisé de respecter les limites d’interférences électromagnétiques.

Frederik Dostal, ingénieur d’applications, Analog Devices, Inc.
Source : com-trail.fr