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Techniques

Comment améliorer les applications de l’Internet des objets

Par Amritraj Khattoi, Ingénieur marketing produit, Texas Instruments

Publication: 7 août

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Amélioration des applications de l’Internet des objets avec un amplificateur opérationnel nanopuissance doté d’une immunité électromagnétique élevée...
 

A lire dans le N°117 d’Electronique Mag

Les concepteurs d’applications de l’Internet des objets (IoT) ont deux principales préoccupations : gérer l’énergie de sorte à maximiser la durée de vie de la pile et garantir un fonctionnement fiable malgré toutes sortes d’interférences électromagnétiques. La révolution de l’IoT va entraîner le déploiement de milliards d’appareils connectés, sur pile ou alimentation filaire, dont beaucoup seront sans fil, rivalisant sur le même spectre de fréquences. Résultat : un environnement de plus en plus pollué par les interférences, les ondes électromagnétiques irradiant de sources multiples. L’interférence de signaux électromagnétiques est un problème propre au spectre partagé sans licence depuis l’introduction des appareils sans fil, mais l’ampleur du problème s’accroît à mesure que les appareils en utilisation se multiplient. Les appareils tels que les détecteurs de fumée, capteurs de gaz toxique et détecteurs infrarouge passifs sans fil doivent être soumis à des essais de rayonnement électromagnétique supplémentaires du fait de leurs interactions les uns avec les autres, comme présenté à la figure 1.

La course à la création de noeuds capteurs sans fil a entraîné une complexification des essais d’immunité électromagnétique. Les concepteurs de systèmes doivent soigneusement choisir les composants afin d’éviter des reconceptions coûteuses pouvant retarder la commercialisation lors des étapes finales du développement du produit. Outre un fonctionnement en conditions bruyantes, les appareils connectés alimentés par pile devront garantir un fonctionnement fiable pendant des années, sans nécessiter de changement de batterie. La durée de vie des piles des appareils IoT varie grandement, de quelques heures à plusieurs années, en fonction de l’application et de l’environnement. Les concepteurs de ces appareils IoT devront choisir des composants qui consomment très peu de courant afin d’étendre la durée de fonctionnement et de garantir l’immunité électromagnétique.

La gamme d’amplificateurs nanopuissance LPV811 de TI consomme jusqu’à au moins 320 nA de courant de repos afin de maximiser la durée de vie de la batterie et ces appareils disposent d’une protection interne contre les interférences électromagnétiques. Cependant, ils n’incluent pas le filtre d’entrée contre les interférences électromagnétiques complet vu sur de nombreux amplificateurs opérationnels commercialisés récemment. Cela était intentionnel de la part de TI, étant donné qu’ajouter un filtre d’entrée contre les interférences électromagnétiques accroît grandement la capacité d’entrée, ce qui peut entraîner des surcharges dans les circuits inférieurs au micro-ampère à hautes valeurs de résistance de rétroaction et d’impédance de source. En revanche, TI a pris des précautions internes (propriétaires) dans la structure et la conception interne des LPV801, LPV802, LPV811 et LPV812 afin de les rendre aussi résistants aux interférences électromagnétiques que possible.

Afin de vérifier l’efficacité de notre technique d’atténuation des interférences électromagnétiques intégrée, nous avons comparé le LPV802 avec deux appareils populaires, commercialisés par nos concurrents, et qui présentent la particularité d’être dépourvus de protection interne contre les interférences électromagnétiques.

Quelles que soient les conditions d’utilisation, le circuit utilisant le LPV802 a présenté une meilleure immunité aux interférences électromagnétiques que les circuits utilisant les appareils concurrents. Les trois appareils ont été soumis aux essais de tolérance aux interférences électromagnétiques dans les conditions de rayonnement prescrites par la norme CÉI 61000-4-3 (Compatibilité électromagnétique). Les appareils des essais ont été soumis à un champ de fréquences radio calibré sur une plage de fréquences de 80 MHz à 6 GHz tout en les surveillant en vue d’éventuels dysfonctionnements, conformément à la spécification de la norme CÉI sur la CEM. En vue de leur comparaison, les trois appareils ont été exposés au même rayonnement électromagnétique, en même temps, dans des circuits identiques, et les déviations de puissance de sortie surveillées. En outre, pour évaluer l’efficacité d’une technique courante de filtrage des interférences électromagnétiques, deux ensembles de circuits ont été soumis aux essais. Un ensemble de circuits disposait de condensateurs de suppression des interférences électromagnétiques d’entrée externes, l’autre en était dépourvu.

La figure 2 présente le circuit des essais, construit sur une carte standard FR-4 de 62 mils à deux couches, dotée de plans de masse de chaque côté pour tester la performance électromagnétique. Un connecteur à quatre broches permettait le changement rapide des cartes, tandis que le branchement des broches du capteur permettait le retrait aisé de celui-ci.

La figure 3 montre la configuration des essais dans la pièce. Il s’agissait de tester la performance électromagnétique de quatre cartes. Trois des cartes étaient dotées d’un circuit identique, avec différents amplificateurs opérationnels. Une carte supplémentaire a été construite selon une configuration de référence à la terre mais n’a pas été utilisée lors des essais. Chacune des quatre cartes a été connectée à un boîtier de pile central (2 piles AA) par 1 m de quatre câbles blindés dotés de bobines d’arrêt contre les interférences électromagnétiques à chaque extrémité. Le boîtier de pile a été connecté à la salle de contrôle par 15 m de câble UTP Cat 5, avec les bobines d’arrêt contre les interférences électromagnétiques appropriées, afin de fournir les tensions de sortie au système d’enregistrement. Les deux boîtes blanches dotées de cônes sont les capteurs de champ qui surveillent le champ durant l’essai.

La figure 4 montre les résultats de l’un des essais prescrits par CÉI 61000-4-3. À un rayonnement de 30 V/m, les deux appareils de la concurrence défaillent à 140 MHz, tandis que le LPV802 tient jusqu’à 100 MHz. En général, la performance électromagnétique du circuit doté du LPV802 était meilleure que celle des circuits dotés des appareils de la concurrence pour tous les essais prescrits à différents niveaux de rayonnement, notamment dans la plage 100-200 MHz. Globalement, aucun appareil n’a été affecté par les fréquences supérieures (> 400 MHz). Pour plus d’informations relatives aux conditions des essais et aux résultats, merci de consulter la note d’application « Comparaison de la performance électromagnétique du LPV802 à celle d’autres appareils dans une application de détecteur de gaz ».

L’ajout de condensateurs de suppression des interférences électromagnétiques d’entrée externes a également aidé en vue de la performance globale, et je recommande leur ajout dans le cadre du processus de conception normal. La protection contre les interférences électromagnétiques n’annule pas complètement les effets de celles-ci, mais elle contribue à les réduire.

L’ajout de filtres externes réduit encore ces effets, et je recommande l’utilisation de filtres externes même lors de l’utilisation d’appareils protégés contre les interférences électromagnétiques.

L’utilisation de composants tels que le LPV801, le LPV802, le LPV811 et le LPV812 qui consomment quelques nanoampères de courant de repos et sont renforcés contre les interférences électromagnétiques aide les concepteurs à construire des systèmes ayant une durée de vie de la batterie plus longue et conformes aux réglementations internationales relatives aux interférences électromagnétiques. Cela contribue à réduire les coûts de maintenance, à améliorer le temps de mise sur le marché et à éviter les reconceptions coûteuses dues à la défaillance liée aux interférences électromagnétiques aux derniers stades du développement du produit.

http://www.ti.com/

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