EMC Basics

In questo articolo indichiamo una serie di precauzioni di base per migliorare la compatibilità elettromagnetica delle apparecchiature progettate.

Tutti abbiamo ben presenti le antenne TV, e radio in qualche caso, presenti sui nostri tetti. Ci sembrerà di primo acchito assurda l’affermazione secondo la quale ogni apparecchiatura elettronica può essere ricca di antenne. Qualcuno ha osservato, a proposito dei parametri parassiti e del loro effetto sul comportamento dei circuiti reali, che “gli elettroni non leggono gli schemi elettrici”. Analogamente, nel nostro caso, le leggi della fisica operano nella loro pienezza, che la cosa sia gradita o meno, che sia favorevole o no alla funzione desiderata e, consentiteci, che le leggi pertinenti siano comprese o meno. Due conduttori tra cui si stabilisca una tensione RF costituiscono un’antenna più o meno efficiente. Strutture simili possono essere presenti in gran numero in un’apparecchiatura o sistema elettronico. Basti pensare a un dissipatore di calore montato elettricamente isolato sopra un componente attivo veloce, quale un moderno microprocessore. Anche una daughter-board o un PCB montati su uno chassis senza adeguate e fitte connessioni di massa possono creare antenne involontarie. La presentazione di William Ott presenta molte di queste situazioni e si rivela preziosa per addestrare l’occhio a riconoscere le antenne più o meno nascoste nel nostro progetto. Ovviamente, come sempre in EMC e con ulteriori complicazioni, l’ispezione andrebbe fatta sugli schemi di montaggio prima di costruire il prototipo e non a posteriori sul sistema realizzato. L’efficienza di un’antenna nel trasmettere una data frequenza dipende dalle sue dimensioni fisiche e dalla relazione di queste con la lunghezza d’onda del segnale. La massima efficienza si ottiene con lunghezze uguali a un quarto o metà lunghezza d’onda (λ/4 o λ/2), vedi Figura 4. Difficilmente le antenne involontarie saranno quindi buone sorgenti di radiazione, ma possono essere in grado di irradiare abbastanza da causare il fallimento delle prove di compatibilità, visti i limiti di emissione accettabili spesso severi. Oltre al dipolo, composto da due fili, altre forme elementari di antenna sono:

  • monopoli, conduttori filari prossimi a superfici conduttive;
  • loop, percorsi chiusi non necessariamente di forme regolari (il campo emesso da un loop è proporzionale all’area sottesa che va quindi minimizzata);
  • slot, cioè le aperture in superfici metalliche, quali le fessure di aerazione realizzate nelle pareti di un contenitore per apparecchiatura elettrica o elettronica.

Queste aperture non andrebbero mai lasciate aperte ma chiuse da reti metalliche con passo minore di un decimo della lunghezza d’onda minima prevista nel sistema (λ/10). Dalla definizione data di antenna elementare: due conduttori sottoposti a differenza di potenziale RF, deriva anche la regola base per togliere efficacia a ogni antenna involontaria, cioè mantenere le sue componenti fisiche allo stesso potenziale. In particolare, per quanto riguarda, ad esempio, un dissipatore, questo andrà connesso a massa in molteplici punti con separazione non superiore a λ/10. Analoghe considerazioni valgono negli altri casi, si deve sopprimere ogni montaggio asimmetrico, “a sbalzo”, caratterizzato da poche connessioni concentrate. Un piano metallico affacciato a un piano connesso a massa a breve distanza costituisce un’antenna chiamata microstrip (o patch antenna, vedi Figura 1). Non è difficile riconoscere la struttura tipica di un PCB multistrato. Anche se molto inefficiente, l’antenna patch causa emissione dai lati del PCB, fenomeno da tenere sotto controllo. Un metodo discusso e non sempre efficace è la cosiddetta regola 20H che consiste nel rientrare il piano di alimentazione positiva di una certa misura.

Figura 1: patch antenna.

Figura 1: patch antenna

 

Figura 2: regola 20H.

Figura 2: regola 20H

Un modo certamente efficace è raffigurato in Figura 3 e consiste nella realizzazione di una sorta di anello di guardia lungo quasi l’intero perimetro del PCB. Al fine di evitare la costituzione di una spira chiusa, l’anello dovrebbe avere una breve interruzione. Lo svantaggio evidente risiede nell’aumento delle dimensioni del PCB e relativo costo. È importante che l’anello sia equipotenziale, sia cioè frequentemente connesso al piano di massa, almeno ogni λ/10, come al solito. Tale anello svolge anche un’utile protezione nei confronti di scariche elettrostatiche (ESD), drenando le elevate correnti istantanee generate lontano dai circuiti sensibili a danneggiamento.

Figura 3: anello di guardia.

Figura 3: anello di guardia

 

Figura 4: relazione tra frequenza e lunghezza d’onda.

Figura 4: relazione tra frequenza e lunghezza d’onda

RIDURRE LE CORRENTI DI MODO COMUNE

Questa è, probabilmente, la meno evidente delle regole base e la più difficile da applicare. Tutti i segnali intenzionali sono associati a correnti dette di modo differenziale (vedi Figura 5a). La corrente “esce” dal generatore per convenzione e “rientra” attraverso il percorso di ritorno. Questa condizione ideale non tiene però conto di parametri parassiti quali le capacità associate a ogni conduttore. Come si vede in Figura 5, quando i conduttori sono adiacenti, abbiamo un effetto di cancellazione parziale del campo emesso dai due conduttori, essendo questo uguale in ampiezza e contrario in verso (si ricordi la regola della mano sinistra). Quando, invece, abbiamo una componente della corrente comune a entrambi i conduttori, per questo detta “di modo comune”, la mutua cancellazione viene a mancare, e anzi i campi emessi si sommano (vedi Figura 5b). L’emissione radiata delle correnti di modo comune può essere due o tre ordini di grandezza maggiore di una corrente di modo differenziale e diventa quindi il meccanismo di emissione prevalente. È stato calcolato che in alcune situazioni (cablaggi automobili) una corrente di modo comune di 40 nA è sufficiente a far fallire i test di compatibilità. La situazione bilanciata di Figura 5a viene compromessa dalla presenza di capacità parassite e asimmetrie nella costruzione fisica dei circuiti. Questo fenomeno è sostanzialmente inevitabile.

Figura 5: corrente di modo differenziale (a) e di modo comune (b).

Figura 5: corrente di modo differenziale (a)
e di modo comune (b)

Le capacità parassite offrono percorsi di ritorno alternativi a correnti ad alta frequenza (vedi Figura 6).

Figura 6: percorsi corrente di modo differenziale e di modo comune.

Figura 6: percorsi corrente di modo differenziale e di modo comune

Risulta difficile visualizzare i percorsi delle correnti CM. Strutture come quelle schematicamente presentate nelle Figure 6 e 7 mostrano tipici casi in cui correnti CM si instaurano. La Figura 6 è tipica di connessioni tra parti diverse di un sistema dove non siano state prese sufficienti precauzioni affinché il percorso di ritorno (massa) sia equipotenziale, permettendo, quindi, alle capacità parassite di offrire un’alternativa a minore impedenza. Le discontinuità nel piano di riferimento in Figura 7, oltre ad aumentare l’induttanza totale del collegamento, creano un percorso in cui la stessa corrente funzionale non beneficia della cancellazione del campo, trasformandosi per un tratto in corrente CM.

Figura 7: effetto di una discontinuità nel percorso di ritorno.

Figura 7: effetto di una discontinuità nel percorso di ritorno

I rimedi per le emissioni CM sono essenzialmente due. Progettare circuiti stampati, connessioni e cablaggi quanto più simmetrici possibile per evitare sbilanciamenti, e introdurre filtri. I filtri più efficaci, ma più costosi, sono componenti passanti basati su ferriti, in grado di dissipare in calore l’energia RF senza attenuare apprezzabilmente il segnale intenzionale. Per essere efficaci, i filtri devono essere progettati tenendo conto delle impedenze di sorgente e carico. Quanto detto sulle antenne e sulle correnti di modo comune richiama la nostra attenzione sui cavi connessi ai PCB. A causa delle loro lunghezze, questi rischiano di trasformarsi in antenne involontarie abbastanza efficienti da causare problemi. Il rumore di modo comune presente sul PCB agisce da generatore RF che alimenta tali antenne. È, quindi, raccomandabile prevedere un filtraggio della partenza cavi, compatibilmente con la banda passante richiesta per eseguire la funzione dei vari segnali, naturalmente. Ferriti attorno al cavo o filtri passanti dovrebbero essere almeno previsti, consentendone l’adozione in sede di prove di compatibilità, senza richiedere interventi sul PCB. La situazione di Figura 8, con la connessione dello schermo detta “pigtail” per la sua somiglianza con una coda di maiale, andrebbe evitata, malgrado la sua semplicità realizzativa.

Figura 8: discontinuità metallica nella connessione di schermi.

Figura 8: discontinuità metallica nella connessione di schermi

Gli schermi dovrebbero essere privi di interruzioni per essere efficaci, prevenendo vie di fuga per la radiazione elettromagnetica, anche a beneficio di una migliore immunità (vedi Figura 9).

Figura 9: connessione di schermi raccomandata.

Figura 9: connessione di schermi raccomandata

PER APPROFONDIRE, SE AVETE TEMPO PER UN SOLO LIBRO…

Occorre che definiate bene il vostro ambito di intervento futuro e il livello di know-how di cui avrete bisogno, per pilotare la scelta. Una buona introduzione generale, senza alcuna complicazione matematica e molto discorsiva, è rappresentata da Electromagnetics Explained di Ron Schmitt. Se lavorate principalmente su board e circuiti stampati, l’autore suggerisce PCB Design for Real World EMI Control di Bruce Archambeault. Se ritenete, invece, di aver bisogno di un testo completo ma chiaro e rigoroso sia per board che per sistemi, tale da costituire un riferimento nel futuro, si segnala il testo Electromagnetic Compatibility Engineering di William Ott, riedizione riveduta ed espansa del classico Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. Qualora una solida ed approfondita conoscenza dell’argomento, in tutti i suoi aspetti, diventi desiderabile, si impone un testo per corsi universitari quale il classico Introduction to Electromagnetic Compatibility di Clayton Paul (seconda edizione), con le inevitabili complicazioni del caso.

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Una risposta

  1. Maurizio Maurizio 27 Luglio 2020

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