PCB ART: le interferenze elettromagnetiche.

PCB

Le interferenze elettromagnetiche, che siano a Radio Frequenza o meno, rappresentano una delle principali cause di malfunzionamento all’interno dei circuiti integrati. Si tratta di disturbi causali, molti sono di natura non sistemica, che non si manifestano sempre e comunque non sempre nello stesso modo. L’apparente casualità connessa con queste problematiche potrebbe suggerire che si tratti di eventi sporadici ed irripetibili. Bene, non è così! In questo articolo ci occuperemo della compatibilità elettromagnetica sia dal punto di vista della caratterizzazione sia dal punto di vista dello studio dei fenomeni che possono verificarsi all’interno dei circuiti integrati, delle PCBs e dei dispositivi più in generale. Di che tipo sono, come si identificano e come si risolvono i problemi di compatibilità dovute ad interferenze elettromagnetiche? A queste e ad altre domande proveremo a rispondere oggi. Siete pronti?

Prima di cominciare è necessario spiegare tre acronimi che ritorneranno con grande frequenza in questa trattazione:

  • EMI (ElectroMagnetic Interference);
  • RFI (RadioFrequency Interference);
  • EMC (ElectroMagnetic Compatibility).

Dentro queste sigle sono racchiusi una serie di fenomeni molto diversificati tra loro che possono essere spiegati molto facilmente se si pensa che il tutto si riconduce a disturbi che affliggono un sistema in cui si propagano segnali elettrici senza che questi siano preventivati, desiderati o quantomeno che seguano percorsi previsti. La casualità governa questa fenomenologia.
È fonte di disturbo, per un circuito, qualunque sorgente di segnale (potenza) radiata dall’esterno verso il circuito in oggetto quando essa interrompa od alteri (corrompendolo) un segnale. Questo è causa del grado delle prestazioni e può inficiare durata ed efficacia sia del trasferimento dei dati sia della funzionalità del sistema nel tempo.

EMI sì, ma come?

L’interferenza elettromagnetica può essere di diversi tipi, come mostriamo nella figura qui di seguito

questo schema di principio risulta molto chiarificatore perché dimostra che sostanzialmente abbiamo a che fare con quattro diversi tipi di possibilità di interferenze:

  • condotta;
  • da accoppiamento;
  • irradiata;
  • capacitiva.

Il primo tipo caratterizza un segnale che viaggia attraverso piste conduttive, componenti, antenne, cavi di alimentazione e piani di massa. L’accoppiamento, invece, può avvenire tra componenti, circuiti, elementi discreti che hanno impedenze simili. È irradiata quando l’interferenza avviene per la presenza di “aperture” di ogni genere tipo: bocche d’aerazione, accessi per ispezione, cavi, pannelli, imperfezioni nell’housing, è così via dicendo.

Tipicamente, fonti di rumore per ricevitori radio possono essere le antenne ad ampio raggio, le linee di alta tensione, i macchinari di potenza o altri dispositivi simili ed è facile che le linee di trasmissione AC siano fonte di interferenza per molti apparecchi anche integrati.

Quando tipicamente si ha EMI? Ad esempio all’accensione di un dispositivo. Questo accade perchè si ha, in questa fase, una variazione di corrente legata al fatto che il circuito inizia a richiedere energia. Questa può sembrare una considerazione banale ma è importante perchè in questa fase (transitorio) vi è un rapido movimento di cariche elettriche ed, in generale, questo non è un problema visto l´aspetto transitorio del fenomeno. Tuttavia, prevedere una fase di accensione “lenta” può ridurre l’EMI.
D’altronde, “lenta” non vuol dir nulla perchè è con la specifica applicazione che poi ci si deve confrontare!

Altro fattore cruciale, e lo vedremo meglio più avanti, è la presenza, nonchè il ruolo, dei segnali di clock.
Un segnale di clock “tiene il tempo” del funzionamento dell’intero circuito, garantendo che sia tutto coerente e “consequenziale”. Di per sè il segnale è poco “significativo” ma ha il ruolo, di fatto, di “accelerare le cariche” e questo comporta irradiazione.

Un modo per limitare gli effetti (influenza) EMI è quello di ridurre la frequenza di clock ma questa è una considerazione che, ancora una volta, ha di che doversi scontrare con la fattibilità. Tale metodo potrebbe non permettere più il raggiugimento degli obiettivi progettuali.
Altra possibilità è quella di rallentare i fronti del segnale di clock tramite l’addizione di resistenze. Questa stessa idea può trasformarsi nel fatto che si scelgano porte logiche di famiglie diverse, con fronti di salita e di discesa ora più veloci, ora più lenti.
Sulla questione del clock non abbiamo ancora finito perchè c’è dell’altro da considerare. Le linee di clock sono più soggette ad irradiare ed è bene, per questo motivo, tenerle lontane da punti sensibili in cui possano influenzare eventuali segnali da misurare. Stiamo parlando, quindi, di linee di alimentazione, segnali di bassa escursione picco-picco, e così via. Tutto questo potrebbe essere massimizzato se le linee in questione viaggiassero per “lunghi” tragitti parallelamente l’una all’altra ed a breve distanza.
Una delle soluzioni per risolvere, o quantomeno limitare, l’insorgenza e gli effetti delle interferenze è utilizzare layer differenti in PCB multistrato. Altra possibilità è quella di inserire un piano di massa tra due layer.

Altro aspetto cruciale è la curvatura delle piste. Realizzare, infatti, piste a 90 gradi può causare, in un PCB, l’insorgenza di un campo elettromagnetico secondario a fenomeni di scattering. Il raggio di curvatura dovrà, pertanto, essere realizzato mediante una “serie” di singole curvature successive della pista.

La Compatibilità Elettromagnetica

La Compatibilità Elettromagnetica è una scienza che studia, caratterizza e descrive tutti i fenomeni di natura elettromagnetica ed è in grado di individuare e risolvere i problemi relativi alla presenza di interferenze da campi elettromagnetici.
Nell’ambito di questa scienza, quindi, si vanno a collocare tutti i principi fisici, le prove sperimentali e le metodologie risolutive dei problemi, tra cui quelli di interferenza.
Esistono, fondamentalmente, due tipi di soluzioni alle interferenze elettromagnetiche: quelle a priori e quelle a posteriori. Di fatto, nel secondo caso, ciò che si fa’ è cercare di risolvere i problemi che si son verificati.
Il primo metodo, invece, riguarda le tecniche di prevenzione, che permettono di dimensionare il sistema per evitare che tali problematiche possano emergere.
Le soluzioni tipiche adottate in questi casi comprendono, dunque:

  • sistemi di schermatura;
  • isolamento (galvanico, ottico ecc);
  • collegamenti a massa;
  • verifica delle impedenze caratteristiche (e dell’adattamento);
  • filtraggio e tecniche di eliminazione del rumore.

Schermare, di solito, rappresenta la “soluzione finale”, ovvero la soluzione attraverso la quale si sfrutta il principio enunciato dalla terza equazioni di Maxwell (equazione di Faraday-Neumann-Lenz)

nota anche nella sua forma vettoriale

i campi parassiti creano, infatti, correnti indotte all’interno degli schermi. Grazie a questo principio, sia gli schermi sia i gaskets (letteralmente, guarnizioni) operano per assorbimento e riflessione, sfruttando il principio di reciprocità. Eccone alcuni tipi.

Il funzionamento, è chiaro: parte della potenza elettromagnetica che incide viene riflessa mentre un’altra quota parte viene trasmessa. L’idea alla base di questo meccanismo di schermatura tramite gaskets è quella per cui la quantità di energia interferente può essere limitata grazie all’esposizione diretta di strati conduttivi. Le superfici interessate, infatti, sono capaci di condurre le correnti indotte dai campi irradiati e, secondo quando descritto dall’equazione, gli schermi operano, di fatto, da assorbitori.

Problemi e soluzioni

Da questo momento in poi, cerchiamo di vedere quali soluzioni è possibile adottare in hardware per “limitare i danni” dovuti all’insorgenza di questi fenomeni.
Se guardiamo al ruolo del rumore, esso si presenta con un certo valore di potenza efficace (associato ad un determinato livello di tensione sovrapposto al segnale) e questo causa, evidentemente, la possibile “corruzione” dei livelli di tensione di funzionamento del dispositivo, anche su singole piste conduttive.

A seconda, ovviamente, della velocità dei segnali in oggetto e della solo escursione picco-picco, è utile, talvolta, programmare i dispositivi perchè i fronti di salita e di discesa siano più o meno veloci (la figura, in questo caso, risulta molto esplicativa). Il plafond di rumore sarà tanto più influente quanto più lente saranno le commutazioni.

La questione dell’impedenza, ed il suo ruolo, viene spiegata molto efficacemente grazie al concetto di adattamento di impedenza: non ci può essere trasferimento “ottimale” di potenza senza che vi sia una equa ripartizione della tensione tra la impedenza (resistenza) equivalente di Thevenin e quella equivalente di carico.
Quello che vediamo qui di seguito

è un caso applicativo di schema a blocchi semplificato per un filtro di tipo Impedence Matching (IMF).
Specie in caso di segnali a Radio Frequenza, infatti, risulta particolarmente utile l’impiego di filtri per l’adattamento di impedenza.

La programmazione dei fronti di salita e di discesa è una tecnica piuttosto utile e permette un alto grado di personalizzazione dei segnali in transito sulle piste, specie su quelle digitali. A seconda della famiglia logica, ed in figura ve ne è un esempio, è possibile effettuare il test sulle forme d’onda per verificarne la corretta visualizzazione.
La configurazione è utile ai fini della simulazione dell’impedenza di carico e la visualizzazione della forma d’onda rappresenta la riprova del funzionamento.

Altra possibilità è quella di utilizzare la tecnologia Spread Spectrum, ovvero a “spettro espanso”. Vediamo di che cosa si tratta

Si indica, con questo nome, una tecnica di trasmissione in cui il contenuto informativo viene trasmesso su una banda di frequenze che è considerevolmente più ampia di quella effettivamente necessaria alla trasmissione dell’informazione contenuta nel segnale. In pratica, si effettua un “allargamento” in banda; tale effetto è ottenuto per mezzo di un sottosistema in trasmissione detto spreader.
Essenzialmente, l’espansione dello spettro si basa sulla relazione esistente tra banda di un segnale, il suo modulo ed il suo contenuto energetico perchè quest’ultimo aumenta se, a parità di modulo, si aumenta l’occupazione in banda del segnale.
Il vero scopo di questa tecnica è migliorare il rapporto segnale/rumore (SNR), eliminando il maggior numero di interferenze possibile. La tecnica consente, inoltre, l’utilizzo contemporaneo della stessa banda per più utenti, migliorando così l’efficienza spettrale (dove per “efficienza” intendiamo la nostra capacità di utilizzare le frequenze e convogliare la maggior quantità di informazioni a parità di frequenze coinvolte).

Altro aspetto di non trascurabile importanza riguarda la “mimetizzazione” del segnale radio trasmesso, abbassandone la potenza specifica fino quasi a confondersi con il rumore di fondo. Questa tecnica di mascheramento può essere un’utile contromisura alle intercettazioni.

Tecniche di espansione di spettro sono implementate all’interno dello standard IEEE 802.11, che trova largo impiego nelle reti wireless (WLAN).

Un caso applicativo, in cui tutto quello che abbiamo detto viene utilizzato ed applicato, è dimostrato nella seguente figura

Esistono diverse soluzioni hardware che permettono di applicare la tecnica dello spettro espanso su una vasta gamma di sistemi.

Nel diagramma a blocchi che abbiamo appena visto, i circuiti di temporizzazione rivestono un ruolo fondamentale.

Come ben sappiamo, la temporizzazione è essenziale per il buon funzionamento di tutti i computer così come li conosciamo oggi. Non soltanto la gestione degli interrupt ma anche la scansione degli intervalli temporali è vitale.

Parametri cruciali per questo sistema specifico sono:

  • spread spectrum percentage;
  • modulation rate;
  • programmable edge rates;
  • programmable output impedance ;
  • programmable skew.

Quelli mostrati in questo elenco sono alcuni dei parametri più interessanti. Dal loro controllo dipende la “buona riuscita” della progettazione, ovvero la “resistenza” alle interferenze elettromagnetiche. Un esempio, tra tutti, riguarda proprio le tecniche di spettro espanso. “Espanso” è solo un aggettivo, non vuol dir niente da solo.

Allora le domande diventano: di quanto? In quale banda al massimo, se c’è un limite?

È ovvio che non posso espandermi in bande dell’ordine dei gigahertz. Pertanto si definisce una percentuale, ovvero un tasso, di allargamento. E così anche la velocità dei fronti di salita e di discesa dei segnali di controllo ed i valori delle impedenze di uscita devono essere dimensionati con criterio (che, ovviamente, come sempre, dipende dallo specifico sistema e dalla particolare applicazione).

Quest’ultima osservazione non vuol dire che non si possano dare dei suggerimenti, però. Ed eccoli, quindi. Tra le features più efficaci ci sono:

  • ampio range di frequenze d’uscita (1-200 MHz);
  • ampio range di frequenze in ingresso;
  • percentuale di allargamento (entro il 5%);
  • carico capacitivo programmabile;
  • riduzione delle dimensioni (6TDFN 1.2 x 1.4 mm).

E perché sono interessanti? Semplice: è proprio in questa breve lista che si dà una dimensione, sebbene approssimativa, proprio di quei parametri. Un esempio che salta agli occhi è proprio il range di frequenze d’uscita che è necessario rispettare. Non si può, infatti, pensare di allargarsi in banda all’infinito ma è necessario limitarsi ad un valore che, per esempio, può essere di 200 MHz.

Studio e caratterizzazione

Come per tutte le “materie”, anche questa richiede un certo metodo. Quello che dobbiamo approfondire, in particolare, riguarda la comprensione dei requisiti e delle esigenze di questa particolare disciplina.

Fortunatamente, però, a riguardo di queste ultime, non sono differenti da quelle cui la progettazione deve provare a dare delle risposte.
Ecco, infatti, che compaiono la riduzione dei costi, l’aumento del grado di integrazione, l’utilizzo di segnali più veloci, sia analogici sia digitali.
Insomma, sono più o meno sempre le stesse e rappresentano bene i trend dell’elettronica negli ultimi anni.
A queste, che, di fatto, sono domande, possono essere date alcune risposte significative. Al di là dell’utilizzo di contenitori schermati, magari realizzati ad hoc, e dei test di verifica a posteriori, esistono strutture a bandgap elettromagnetico, identificate dall’acronimo EBG.

Si tratta di una classe di materiali artificiali, che prendono il nome di metamateriali, che hanno proprietà dissimili da ogni altro materiale disponibile in natura. Tipicamente questi materiali hanno proprietà che dipendono dalla loro struttura piuttosto che dalla loro composizione. In questi casi, sono, infatti, i difetti molecolari oppure le disomogeneità estremamente localizzate a conferire loro gli effetti macroscopici che ci interessano.

Fatte queste considerazioni, non resta che passare alla fase conclusiva, ovvero il test.
L’immunità alle Radio-Frequenze può essere comprovata attraverso diversi metodi. Una struttura come quella in figura può essere resistente alle interferenze sulle linee di alimentazione, per via del fatto che il piano di massa è separato da quello di VDD.
L’insensibilità del circuito all’interferenza da crosstalk può essere valutata verificando le forme d’onda a valle delle piste.
Così come, uno strumento di fondamentale importanza nel test delle linee che trasportano segnali digitali resta il diagramma ad occhio.
Altre soluzioni possibili riguardano l’impiego di filtri dedicati che risolvano il problema delle interferenze aumentando l’immunità oppure bypassando i segnali.
Alcuni circuiti integrati (LMV831-LMV834 e MAX9724) sono progettati per utilizzare filtri integrati che evitano fenomeni di demodulazione parassita.

Uno dei metodi per effettuare i test dei dispositivi per valutare l’effettiva compatibilità elettromagnetica è l’utilizzo delle camere anecoiche. Si tratta di stanze progettate per fare in modo che le riflessioni interne delle onde elettromagnetiche, che si propagano, non producano effetti quali Eco o risonanze. Esse vengono anche isolate da fonti esterne, che potrebbero introdurre componenti di rumore. Valutare le interferenze elettromagnetiche in locali simili significa effettuare il test in uno scenario che molto si avvicina allo spazio libero. Sebbene originariamente avessero trovato applicazione prevalentemente in ambito acustico, la loro utilità risulta evidente quando il test da condurre riguardi le antenne (sia dal punto di vista del dimensionamento sia della loro interazione con un oggetto presente all’interno della stanza), i radar oppure, appunto, le interferenze elettromagnetiche.

Tiriamo le somme

Bene, a questo punto possiamo considerare che la puntata di oggi stia volgendo al termine. Scopo di questo lungo articolo è stato quello di proporre alcuni degli aspetti fondamentali del problema delle interferenze. Alcuni di questi possono essere risolti in maniera (relativamente) semplice, utilizzando schermi piuttosto che gaskets. Altri, invece, richiedono più attenzione o soluzioni studiate ad hoc.
In ogni caso, dalle interferenze è necessario guardarsi e stare molto attenti a fare in modo che non si verifichino. L’isolamento in questo, come abbiamo visto, gioca un ruolo fondamentale ed è per questo che va debitamente tenuto in conto.
Nella prossima puntata Emanuele proporrà alcuni trucchi e suggerimenti per la buona progettazione, ovvero come evitare errori banali e le loro più “spiacevoli” conseguenze, per una miglliore progettazione.

Alla prossima.

Bibliografia:

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  • Radio frequency interference handbook. Compiled and edited by Ralph E. Taylor. Washington Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration; [was for sale by the National Technical Information Service, Springfield, Va.] 1971.
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  • Clemson Vehicular Electronics Laboratory Web Site: Integrated Circuit EMC page.
  • “Don’t “despike” your signal lines, add a resistor instead.“
  • http://www.ce-mag.com/archive/2000/novdec/fiori.html Compliance Engineering
  • http://rfdesign.com/mag/510RFD33.pdf Measurement technique for RF Immunity
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  • EMI shields:http://www.metexcorp.com/emirfi_thoery.htm
  • EMC: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_compatibility
  • EMC laboratory: http://www.prodrive.nl/en/119/product-of-referentie?ref=98
  • Cypress Perform – http://www.cypress.com/?docID=24228
  • EMI, RFI & EMC: http://www.radioing.com/eengineer/intro.html
  • Timing ICs Keep Beat with Needs of Today’s Embedded Market:
  • http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Timing-ICs-Keep-Beat-with-Needs-of-Todays-Embedded-Market.pdf
  • Selection guide:http://www.silabs.com/Marcom%20Documents/Resources/TimingSelectorGuide.pdf
  • Analog Device’s clock ICs:http://www.analog.com/en/rfif-components/timing-ics-clocks/products/index.html
  • Le soluzioni Intersil:http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn66/fn6618.pdf
  • Studio e caratterizzazione: http://ntuemc.tw/theme/design/emc_01.jpg

(Fonti consultate il 03/09/2012)

 

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13 Comments

  1. Giorgio B. Giorgio B. 18 aprile 2013
  2. Fedex03 18 aprile 2013
  3. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 19 aprile 2013
  4. Fedex03 19 aprile 2013
  5. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 19 aprile 2013
  6. Boris L. 19 aprile 2013
  7. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 19 aprile 2013
  8. Fedex03 19 aprile 2013
  9. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 19 aprile 2013
  10. Fedex03 19 aprile 2013
  11. Callisto 24 aprile 2013
  12. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 24 aprile 2013
  13. Boris L. 25 aprile 2013

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