Bonjour,
Nous avons réalisé un premier prototype d'un appareil qui devra passer la certification CE. Pour cela ce premier prototype a subi des pré-tests de Compatibilité Électromagnétique (CEM) dans un laboratoire de mesures électriques (LCIE Grand Est).
L'appareil en question est chargé de réguler la température d'une charge résistive de 120W avec une modulation de largeur d'impulsion (PWM) de fréquence 500 kHz (cahier des charges).
La partie commande consiste principalement en un microcontrôleur, un écran LCD couleur, et un peu de logique pour la sécurité (monostable redéclenchable combiné à un signal du microcontrôleur à l'aide d'une porte AND).
La partie puissance comporte notamment un capteur de température (pour thermocouple) interfacé en SPI, un relais permettant de déconnecter la charge de l'alimentation (sécurité) et un transistor de puissance chargé de la commutation.
Étant donné la nature du système, nous avions pensé de façon intuitive, qu'isoler la partie commande et la partie puissance serait préférable pour immuniser la partie commande du bruit éventuel généré par la partie puissance. Pour cela nous avons fait usage de deux isolateurs ISO7241C de chez Texas Instruments. La raison principale de ce choix était l'encombrement, puis la bande passante (pour des signaux SPI et PWM). On travaille en basse tension donc l'isolation de 2,5kV n'était pas un critère majeur.
Ils permettent donc de faire transiter
- Les signaux SPI du capteur de température (partie puissance) vers le microcontrôleur
- La PWM du microcontrôleur vers le transistor de puissance
- Le signal de sécurité (logique) vers le relais (partie puissance)
L'un des tests CEM auquel nous avons assisté (et échoué) consiste à envoyer des trains d'impulsions de +/-2kV dans la prise secteur de l'appareil en fonctionnement. Il se fait en deux périodes d'une minute. Les impulsions ont une fréquence de 5kHz pour la première période, puis 100kHz pour la seconde période. Les trains d'impulsions sont émis à intervalle régulier (environ 5 trains d'impulsions/seconde pour les deux périodes).
Le prototype n'a pas subi de dégâts. Il n'a pas redémarré de manière intempestive, et il fonctionne correctement quand il n'est plus soumis aux perturbations (ce qui est déjà un point positif). Mais il ne fonctionne pas correctement quand il est soumis aux perturbations (que ce soit 5 kHz ou 100 kHz).
Le problème que nous avons pu constaté (sans pouvoir faire de mesures pendant ce test) est que le relais commutait périodiquement au rythme des trains d'impulsions (environ 5 fois par seconde). Et que les mesures de température par SPI étaient faussées. On n'est pas en mesure de dire si le signal PWM arrivait jusqu'au transistor de puissance, mais il y a de fortes chances pour qu'il ait été perturbé lui aussi.
- L'écran LCD de l'interface utilisateur n'a pas eu de dysfonctionnement (rafraichissement correct donc communication OK avec le microcontrôleur) ce qui met le uC (potentiellement) hors de cause.
- Le relais n'est commandé que par le signal provenant de la porte logique AND, par l'intermédiaire de l'isolateur ISO7241.
- La mesure de température était également faussée, on a le droit au doute sur le fait que ce soit le capteur qui réagisse mal aux perturbations, mais l'isolateur est potentiellement en cause.
Les mêmes résultats ont été constatés lors du test avec le pistolet ESD à différents endroits sur le boitier et les connecteurs, l'appareil continue à fonctionner mais le relais commute et les mesures sont perturbées. Dès qu'il n'y a plus de perturbations tout fonctionne...
Nous sommes en train de revoir le design pour lancer deux PCB différents dont un PCB où on est susceptible d'éliminer totalement l'isolation entre les deux parties.
(en plus des problèmes ESD on a des soucis de rayonnement dû en partie à l'alimentation, mais c'est un autre problème et on arrive à l'observer à l'oscillo en FFT)
Donc les questions sont :
- A votre avis, est-ce que l'isolateur qui est prévu pour ce genre de tests peut être en cause (dans la datasheet ils n'ont pas l'air de faire la nuance entre "résiste à 2kV" et "continue de fonctionner à 2kV")
- Est-ce que des optocoupleurs (LED/phototranso) seraient susceptibles de donner un meilleur résultat au dépens d'un encombrement un peu plus important?
- Est-ce que, dans un cas plus général, isoler la commande et la puissance est une bonne idée? (plans de masse différents, plans d'alimentation différents...) car les avis ont l'air assez partagé à ce niveau, quant au problème de couplage dans un cas et perturbation en mode commun dans d'autres cas.
La CEM c'est pas forcément intuitif et on n'a pas forcément l'occasion d'en faire en cours (en tout cas pas électronique, peut être électrotechnique je ne sais pas)
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