L’elettronica è diventata sempre più pervasiva non solo nell’industria ma nelle nostre tasche, borse, automobili, case, città. La velocità operativa di microcontrollori e microprocessori, spesso cuore delle applicazioni citate, cresce tendendo a raggiungere le prestazioni delle cpu dei nostri personal computer. In questo articolo introdurremo le problematiche di compatibilità elettromagnetica a livello di circuiti integrati. Parlando di compatibilità elettromagnetica, vengono in mente antenne, fulmini, aeroplani, automobili e motori. Non si pensa normalmente alla compatibilità elettromagnetica a livello di componenti elettronici. Vedremo nel primo paragrafo di questo articolo come questo stia invece diventando una necessità. Inizieremo rivedendo brevemente alcuni concetti comuni in compatibilità elettromagnetica. Introdurremo poi le sorgenti di emissione dei circuiti integrati ed i loro percorsi di accoppiamento. Un'enfasi particolare sarà dedicata a circuiti integrati digitali e microcontrollori. Seguirà una discussione e consigli su come applicare la compatibilità elettromagnetica a livello componente nei nostri progetti e qualche nota circa le tendenze visibili nell’industria. La maggiore differenza rispetto alle trattazioni tradizionali consiste nella vista dall'interno del circuito integrato, piuttosto che su circuito stampato, cablaggi e assemblaggio.
Introduzione
Come accennato, il punto di vista usato nella discussione verrà qui spostato dalla classica visione "di sistema" all'interno dei componenti, per cogliere l'intima origine dei fenomeni in discussione. Alcuni considerano ancora questi fenomeni come "magia nera" ma è opinione dell'autore che si tratti di pura e solida fisica, seppur applicata allo studio di fenomeni che possono mostrare comportamenti apparentemente controintuitivi (pensiamo ad esempi ad una emissione amplificata invece che ridotta, dopo l'aggiunta di un condensatore di filtro). Non è la prima volta che si parla di Compatibilità Elettromagnetica in Elettronica Open Source, il lettore interessato potrà consultare i seguenti due link [1], [2].
Perché preoccuparsi di compatibilità elettromagnetica a livello di circuiti integrati?
Abbiamo tutti una certa familiarità con le principali tendenze dell’elettronica moderna e le ultime generazioni di circuiti integrati. L'elettronica si sta diffondendo ormai in tutti i mercati e soluzioni consumer, pensiamo alle automobili, ma anche alle borse e altri gadget. Le soluzioni integrate rappresentano il cuore di ogni sistema elettronico. Il numero di microcontrollori intorno a noi è in continua crescita e pare destinato a conoscere un nuovo boom con la diffusione dell’Internet delle cose. Contemporaneamente la portabilità delle applicazioni è diventata indispensabile e questo comporta un gran numero di applicazioni wireless e connessioni a radiofrequenza, con maggiore occupazione dello spettro elettromagnetico. L’ambiente diventa sempre più popolato di apparecchiature potenzialmente affette da problemi di compatibilità elettromagnetica, siano essi emettitori di inquinamento elettromagnetico o potenziali vittime di interferenze create da altri dispositivi. Per mantenere la situazione sotto controllo, le normative internazionali in materia di compatibilità elettromagnetica estendono la loro gamma di applicazione e diventano più severe. Nella comunità europea ad esempio, con l’introduzione della direttiva 2004/108EC (aggiornata nel 2014), i costruttori devono garantire che il loro prodotto sia allo stato dell’arte in termini di precauzioni di emissione e suscettibilità. In qualche caso specifici settori dell’industria emettono i loro propri standard, come in automotive ad esempio. Queste normative dedicate sono spesso una interpretazione e precisazione delle normative generiche, calate nello specifico delle applicazioni cui si riferiscono. Le caratteristiche di compatibilità elettromagnetica globali di un prodotto dipendono da un grande numero di parametri. Anzitutto troviamo la natura delle sorgenti a radiofrequenze, intenzionali o non intenzionali, utilizzate all’interno del prodotto. Le frequenze operative, i tempi di salita ai tempi di discesa e le correnti dinamiche coinvolte, caratterizzano i circuiti soggetti a commutazione come sorgenti EMI. Il noise margin dei componenti caratterizza la suscettibilità. I percorsi di accoppiamento creati da tratti di conduttore in comune a circuiti operanti a frequenze diverse e dagli inevitabili elementi parassiti, capacità e induttanza, giocano un ruolo molto importante. I materiali e le dimensioni delle parti circa le apparecchiature sono anche importanti, determinando per esempio l’esistenza e l’efficacia di antenne non intenzionali e l’efficacia delle schermature. La lunghezza dei cavi e fili, la dimensione di ogni elemento metallico, compresi gli strati di circuiti stampati ed i contenitori e le loro relazioni con la lunghezza d’onda dei segnali elaborati vanno anche tenute in grande considerazione. La crescente competizione ed iniziative di riduzione costi stanno rendendo le cose ancora più difficili. I contenitori metallici delle apparecchiature elettroniche sono spesso sostituiti da contenitori plastici meno costosi, mentre il numero di strati dei circuiti stampati viene ridotto al minimo.
Figura 1: Relazione tra momento della rilevazione del problema e costo della soluzione
Anche la bill of material delle schede elettroniche è soggetta a continue pressioni che possono indurre all’eliminazione di componenti apparentemente non indispensabili, quali condensatori di decoupling dei circuiti logici. Di conseguenza il raggiungimento delle performance di compatibilità elettromagnetica deve essere garantito usando tecniche di costruzione e materiali meno costosi rispetto a quanto possibile pochi anni fa. Fino a qualche anno fa una valutazione EMC, se prevista, veniva eseguita in sede di qualifica del [...]
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Proprio perchè il “mondo” dell’elettronica diventa sempre più piccolo bisogna tener bene in mente i problemi di non linearità delle giunzioni dei semiconduttori. Trovo molto importante la spiegazione relativamente alla figura 4.