Questo articolo rappresenta la terza parte della serie "Migliorare la resistenza alle ESD" della Rubrica Firmware Reload.
ALIMENTATORE SWITCHING LOW-COST
Una versione low-cost dell’alimentatore switching, detto alimentatore switching non isolato è una possibile alternativa al dropper passivo. La corrente che si riesce a ottenere non può eccedere i 400 mA ma potrebbe migliorare con i progressi della tecnologia switching. Gli schemi di Figura 1 mostrano due possibili esempi di alimentatore non isolato, il numero dei componenti è ridotto, così come i costi e la complessità. Ovviamente, però, a scapito della compatibilità EMC. Come per le altre versioni low-cost viste in precedenza, il problema EMC diventa importante poiché una delle fasi dell’alternata diventa un terminale della tensione DC regolata. Quindi anche eventuali microcontrollori che utilizzino questa tensione si ritrovano una connessione diretta con l’alternata, risentendo di conseguenza dei disturbi che si propagano sulla rete elettrica. Molte delle considerazioni sono già state sviluppate in precedenza: è necessario filtrare il punto di entrata dei segnali di alimentazione come nelle Figure 3 e 4 (Parte 1). In caso contrario bisogna rispettare scrupolosamente le indicazioni fornite dal costruttore del dispositivo switching e progettare un layout che aiuti ad incrementare l’immunità ai disturbi. Per la protezione del regolatore valgono le considerazioni esposte per il caso lineare e schematizzate in Figura 7 (Parte 1).
Figura 1: Protezioni per il regolatore di tensione
LAYOUT DEL PCB
Un fattore molto importante per la riduzione del problema dei transitori e della compatibilità EMC è il layout del PCB. Il piazzamento dei componenti assume un’importanza rilevante, i circuiti analogici, quelli digitali ad alta velocità e quelli rumorosi (relé, interruttori ad alta corrente, ecc.) devono essere separati tra loro per limitare i problemi di accoppiamento. Il design del PCB dovrebbe partire con la divisione in zone dello spazio disponibile, in modo da separare le aree funzionali tra loro, come in Figura 2. Ogni dominio caratterizzato da una diversa tensione di alimentazione DC dovrebbe essere filtrato disaccoppiando. Il filtro è un semplice passa-basso con elementi in serie e in parallelo come in Figura 3. Gli elementi in serie sono scelti in base ai requisiti EMC e sono tipicamente resistenze, induttori o beads. I componenti in parallelo sono capacità. Ogni componente digitale, come le MCU, o i circuiti più sensibili, devono avere una capacità di bypass per le alte frequenze, come mostrato in Figura 2. La capacità di bypass, oltre a funzionare come serbatoio di carica per la riduzione delle emissioni, limita i transitori e protegge i pin di alimentazione dei dispositivi. Per prevenire la propagazione di possibili disturbi di accoppiamento, i pin di input/output devono invece essere filtrati con un filtro passa-basso. Durante il piazzamento dei componenti è importante valutare il possibile percorso dei segnali tra le diverse aree funzionali, in particolare dei clock e dei segnali a velocità più elevata. In molti casi è necessario un lavoro iterativo di revisione e correzione per arrivare ad eliminare le problematiche di EMI.
Figura 2: Suddivisione del PCB
Figura 3: Filtro disaccoppiatore generico
DISTRIBUZIONE DELLE ALIMENTAZIONI
Una volta suddiviso il PCB in zone e piazzata la componentistica, deve essere definito il sistema di distribuzione delle alimentazioni. Si tratta di un argomento delicatissimo fondamentale per il controllo EMC. Le alimentazioni e la massa devono essere realizzate tramite piani o piste corte e grosse. Per prima cosa, si distribuiscono le masse, poi le alimentazioni. È fondamentale per un buon design conoscere il percorso delle correnti di massa, evitando di creare anelli e percorsi di ritorno della corrente “disturbata” verso la componentistica analogica e digitale. Un buon metodo è partire con un piano di massa e rimuovere al bisogno il rame per le alimentazioni e i segnali. L’utilizzo di vias e ponticelli per collegare differenti aree di massa è da evitare per non aggiungere un’induttanza che crea un disturbo di modo comune. Le alimentazioni dei microcontrollori devono essere collegate direttamente ai piani di alimentazione o tramite piste grosse e corte, evitando differenze di potenziale tra le zone della scheda interessate dalla stessa alimentazione. Le alimentazioni devono scorrere, quando possibile, parallele alle masse e sullo stesso piano oppure su quello adiacente, privilegiando comunque sempre la massa. Disaccoppiare l’alimentazione è molto più semplice rispetto alla massa. Ulteriori accortezze da applicare sono:
- isolare le masse digitali, analogiche, ad alta corrente e degli I/O del PCB
- collegare le differenti masse in un unico punto, il più possibile prossimo alla sorgente di alimentazione
SEGNALI IN INGRESSO
La possibilità di un transitorio su un segnale in ingresso costituisce un problema sia a livello di sistema sia di PCB. Per questi segnali solitamente si utilizzano dispositivi per il controllo delle EMI e delle ESD, tuttavia, è importante che non si degradi il segnale, bisogna quindi fare attenzione affinché le bande di segnale e disturbo non si sovrappongano. Se la banda del segnale è esterna alla banda del disturbo o del transitorio, una protezione che filtri passa-alto o passa-basso può essere sufficiente. Se invece le bande sono sovrapposte a livello hardware si può fare poco, tuttavia, opportune tecniche software possono venire in aiuto. La protezione classica per i segnali d’ingresso è un filtro passa-basso, la resistenza serie limita la corrente e la capacità parallela porta a massa le correnti di transitorio e mantiene la tensione a un valore stabile. I valori dei componenti sono da scegliere a seconda del segnale d’ingresso.
Tecniche supplementari per limitare i transitori sugli ingressi sono:
- utilizzare i TVS per tagliare la tensione durante i transitori
- utilizzare resistenze serie per limitare le correnti
- schermare i cavi
- schermare le piste del PCB
- utilizzare terminatori di linea per ridurre ringing e overshoot
- portare i pin inutilizzati a massa o alla tensione di alimentazione
Se alcuni segnali sensibili devono uscire dalla scheda è bene che il microcontrollore sia vicino al connettore, oppure in posizione tale che la lunghezza della traccia sia la più corta possibile.
