Modélisation des perturbations électromagnétiques conduites et optimisation du filtre de CEM pour un amplificateur de type Classe-D intégré

Conducted EMC modeling and EMI filter design integrated class-D amplifiers and power converters

• Auteur / Autrice : Roberto Mrad
• Direction : Christian Vollaire, Florent Morel, Gaël Pillonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie et systèmes
• Date : Soutenance le 30/06/2014
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ampère - Institut des nanotechnologies de Lyon - Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Étienne Sicard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Flavio Canavero, Jean-Luc Schanen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compatibilité électromagnétique

Électronique de puissance

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Convertisseurs de puissance

Amplificateurs de type Class-D

Perturbations électromagnétiques

Compatibilité électromagnétique (CEM)

Power converters

Class-D amplifiers

Electromagnetic emissions

Electromagnetic compatibility

Résumé

Les convertisseurs de puissance sont largement utilisés de nos jours dans des applications qui demandent une grande autonomie énergétique, comme par exemple ceux qui sont alimentés par des batteries. En particulier, les amplificateurs de type Class-D sont fréquemment utilisés dans les applications audio. Ces amplificateurs commutés ont une architecture ressemblante à celle d'un convertisseur DC-DC, ce qui les permet d'avoir une efficacité énergétique élevée. Cependant, leur inconvénient majeur est la forte émission en perturbations électromagnétiques (EM). Cela peut causer des problèmes de conformité avec les normes de compatibilité électromagnétique (CEM), ou bien perturbé le bon fonctionnement des applications électroniques qui l'entour. Pour cela, ils existent de nombreuses études qui permettent de réduire les émissions d'un amplificateur de Class D. Cependant, cela n'est pas suffisant pour retirer le filtre de CEM. Il est donc nécessaire d'optimiser ces filtres et de faciliter leurs conceptions. Ceci est le but de la présente thèse et il est divisé en quatre grandes parties. La première partie commence par développer une technique de modélisation dans le domaine fréquentiel. Cette technique qui est basée sur la détermination et la manipulation des matrices d'impédances a comme but de simuler et prédire les perturbations EM générées par un amplificateur de Class D. Tous les aspects théoriques de la méthode ont été développés. Ensuite, une application pratique sur un système de Class D dédié à la téléphonie mobile nous a permis de valider la méthode jusqu'à une fréquence de 100 MHz. Un amplificateur de Class D est une source de perturbation aussi bien sur les rails d'alimentation que sur les rails de sortie. Pour cela, le filtre de CEM est nécessaire sur les rails de l'alimentation comme il y est en sortie. Néanmoins, un filtre correctement construit doit être conçu en prenant en compte l'impédance de la charge qui est la batterie dans ce cas. Pour cela, la deuxième partie a pour objectif la mesure de l'impédance de la batterie sur la gamme de fréquence considérée. Ainsi, une technique de mesure d'impédance de batterie en utilisant un impédance mètre est développée. Ensuite, une application expérimentale sur un convertisseur DC-DC et une batterie nous a permis de valider la procédure de mesure. La troisième partie s'est focalisée sur l'optimisation du filtre de CEM. Le modèle fréquentiel développé dans la première partie est intégré dans une boucle d'optimisation basée sur un algorithme génétique. L'optimisation inclus plusieurs critères dans sa fonction objective qui sont l'augmentation de la capacité du filtre à réduire les émissions EM, la diminution des pertes supplémentaires due à l'utilisation du filtre et finalement le gain du filtre dans la bande de fréquence du signal audio. Cette étude est poursuivie par une validation expérimentale. La quatrième et la dernière partie étudie et quantifie les impacts du filtre de CEM sur la qualité audio de l'amplificateur. En effet, le filtre de CEM est l'un des chemins propagation du signal audio. Par suite, tout comportement non linéaire du filtre conduit à la distorsion du signal audio. Pour cela, cette partie est dédiée à la modélisation et la simulation des composants passifs contenant un matériau magnétique. En particulier, l'étude s'est focalisée sur la modélisation des perles de ferrite en utilisant le modèle de matériaux magnétiques Jiles-Aterthon. Les résultats de simulations sont comparés avec la mesure dans le domaine temporel et fréquentiel. En plus, le calcul du taux de distorsion harmonique nous a permis de valider le modèle sur une large plage d'amplitude.

Switching power management circuits are widely used in battery powered embedded applications in order to increase their autonomy. In particular, for audio applications, Class-D amplifiers are a widespread industrial solution. These, have a similar architecture of a buck converter but having the audio signal as reference. The switching nature of these devices allows us to increase significantly the power efficiency compared to linear audio amplifiers without reducing the audio quality. However, because of the switching behavior, Class-D amplifiers have high levels of electromagnetic (EM) emissions which can disturb the surrounding electronics or might not comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. To overcome this problem much architecture appeared in the state of the art that reduces the emissions, however, this has never been enough to remove electromagnetic interference (EMI) filters. It is then useful to optimize these filters, thus, it has been set as the goal of this PhD thesis. The latter has been divided to four main axes which can be resumed by the following. First, this work started by developing a frequency domain modeling method in order to simulate and predict the EMI of Class-D amplifiers in the final application. The method is based on system to block decomposition and impedance matrix modeling and manipulation. After providing all the theoretical background, the method has been validated on integrated differential Class-D amplifier. The experimental measurements have permitted to validate the method only up to 100MHz. However, this is sufficient to cover the conducted EMC frequency band. Second, the EMI at the supply rails of Class-D amplifiers has been treated. As the battery is often the same power supply for all applications in an embedded system, an EMI filter or a decoupling capacitor is needed to prevent the noise coupling by common impedance. Designing this filter needs the knowledge of the battery impedance at the desired frequencies. Therefore the present work dealt also with measuring the high frequency impedance of a battery. Afterwards, an experimental validation has been carried on with a DC-DC converter and a Class-D amplifier. The developed model allows a virtual test of the switching device in the final application. However, it is more useful if the model is able to help the system integrator in designing filters. Thus, third, the model has been implemented in an optimization loop based on a genetic algorithm in order to optimize the filter response, and also, reduce the additional power losses introduced by an EMI filter. The optimization search space has been limited to the components available on the market and the optimization result is given as component references of the optimal filter referring to the optimal solution found. This procedure has been validated experimentally. Finally, EMI filters often are constituted by magnetic components such as ferrite beads or inductors with magnetic cores. Thus, introducing the EMI filter in the audio path, adds a nonlinear behavior in the audio frequency band. Designing a high quality EMI filter require taking into account this phenomenon and studying its impact of the original amplifier audio performance. Therefore, the Jiles-Atherton model for magnetic materials has been used for ferrite bead modeling. Hereafter, the impact on the time and frequency domain signals has been simulated and compared to measurements. Finally, the total harmonic distortion (THD) has been computed for different signal amplitudes and compared to the THD measured using an audio analyzer. Accurate results have been obtained on a wide range of signal amplitudes. As a conclusion, this work aimed to design optimal EMI filters for Class-D amplifiers. Thus, we dealt with improving their EMI response, reducing their additional power losses and evaluating their impact on the audio quality.