Il problema delle ESD è particolarmente sentito nella progettazione di applicazioni basate su microcontrollore. Per limitare il problema delle ESD è necessario intervenire alla sorgente del disturbo, o meglio sui punti nei quali il disturbo entra e si propaga nella scheda: sull’alimentazione del sistema e sui punti di ingresso dei segnali. Utilizzare filtri aiuta, ma esistono anche altre tecniche, trattate qui di seguito. In questo articolo, infatti, si proporranno alcune tecniche hardware per migliorare la robustezza del sistema.
LA POSIZIONE DEI CONNETTORI
Se si applica un filtro in ingresso alle alimentazioni e ai segnali, la posizione dei connettori non risulta critica. Tuttavia, se così non è, la posizione dei connettori può risultare determinante. In generale, vale la regola di posizionare i connettori in maniera tale che i collegamenti tra le schede e i contenitori siano più corti possibili. Un collegamento corto contribuisce a far diminuire l’energia irradiata anche se non contribuisce ad aumentare l’immunità condotta. La seconda regola da rispettare è separare, su connettori distinti, le alimentazioni e i segnali, ovviamente se è possibile.
IL PERCORSO DEI CAVI
Anche per i cavi di collegamento vale la regola principale di non mischiare linee di potenza con linee di segnale, a meno di non eseguire un buon filtraggio. Infatti, questo è il modo migliore per consentire ai disturbi di accoppiarsi tra le linee accoppiate nel cavo di connessione. Ovviamente, questo aumenta notevolmente la complessità del problema e dove possibile è meglio evitare questa situazione.
IL PIAZZAMENTO DEI COMPONENTI
Anche la distribuzione della componentistica sulla scheda è fondamentale, i sottosistemi o i componenti che generano disturbi devono essere fisicamente isolati dall’elettronica più sensibile, come i microcontrollori, per minimizzare i disturbi irradiati accoppiati. L’isolamento fisico può assumere diverse forme, dalla semplice separazione (per allontanamento) alla schermatura. Una buona progettazione deve mantenere separata la parte di alimentazione da AC a DC dai circuiti analogici e digitali, addirittura se possibile realizzando PCB distinti.
ALIMENTAZIONE DEL SISTEMA E DEL PCB
Uno dei punti migliori per cercare di eliminare l’immunità ai transitori è l’alimentazione di sistema. La protezione dai transitori nella sezione di alimentazione può essere stand alone, oppure progettata per lavorare in abbinamento con una protezione sui punti di ingresso della potenza. In ogni caso, una protezione è sempre richiesta per prevenire possibili rotture sull’alimentatore e sulla logica e per prevenire il degrado di prestazioni dell’applicazione. Il progetto di un alimentatore solitamente ricade nelle due tipologie principali: lineare o switching. In Figura 1 si possono osservare entrambe. Per ognuna delle tipologie le considerazioni sono distinte. Gli sviluppi tecnologici hanno permesso di arrivare a costruire alimentatori sempre più economici, molto attraenti per i progettisti che devono spesso rispettare vincoli economici di budget. Questa esigenza però si scontra con le problematiche EMC.
ALIMENTATORE LINEARE TRADIZIONALE
L’alimentatore AC/DC lineare può essere schematizzato come una resistenza serie tra l’ingresso e l’uscita. Un controllo di retroazione può essere opzionalmente utilizzato per mantenere costante la tensione d’uscita variando la resistenza serie. Gli alimentatori lineari tradizionali hanno numerosi vantaggi, tra i quali eccellenti performance di EMI, tuttavia, hanno limitazioni considerevoli in termini di efficienza energetica, dissipazione del calore e dimensioni. In Figura 2 è mostrato uno schema a blocchi generico. Né l’uscita in continua, né la massa devono essere collegate direttamente alle linee della tensione alternata, a meno che l’applicazione non lo richieda. Inoltre, almeno quattro zone di questa tipologia di alimentatori richiedono adeguate protezioni.
- Il trasformatore (o il ponte a diodi, se il trasformatore non è utilizzato), necessita di protezioni sul primario per tensioni elevate di modo comune e differenziali provenienti dalla rete. I componenti di protezione utilizzabili sono: fusibili per limitare la corrente, varistori per tagliare possibili transitori, capacità tra le linee (CX) per i disturbi differenziali e capacità tra linee e terra (CY) per i disturbi di modo comune. Infine, è possibile utilizzare avvolgimenti (chokes) per contrastare sia i disturbi di modo comune sia differenziali. Tutta questa componentistica lavora assieme formando una sorta di filtro passa basso. Nelle Figure 3 e 4 un esempio di filtraggio sulla rete AC per alimentatori a 2 o 3 fili di potenza.
- Se un trasformatore (T) viene utilizzato tra la rete AC e i diodi rettificatori (BR), i diodi necessitano di essere protetti da eccessive correnti e tensioni inverse. La protezione dalle tensioni differenziali viene realizzata inserendo un condensatore elettrolitico ad alta tensione (CBULK). I condensatori Cx riducono i disturbi di modo comune. Per la versione a tre fili un ulteriore condensatore elettrolitico (CBulk_CM) realizza una protezione di modo comune.
- Il regolatore di tensione e la capacità di filtraggio richiedono la protezione contro le sovratensioni. Si può verificare la tensione più elevata alla quale la capacità può lavorare e utilizzare un TVS o una Zener come in Figura 7.
- La tensione d’uscita del regolatore e il carico devono essere protetti contro le sovratensioni e necessitano del bypass per ridurre i disturbi (Figura 7). La protezione si realizza collegando un diodo rettificatore tra uscita e ingresso del regolatore per scaricare la potenza durante il power-down. In aggiunta, delle capacità di disaccoppiamento (CBulk, CBypass) limitano i disturbi sull’uscita in DC. Un ulteriore TVS o Zener può essere aggiunto in parallelo alle capacità per una protezione supplementare.