Il Layout di un PCB è fondamentale in ogni progetto circuitale che riguardi gli alimentatori. Interferenze elettromagnetiche (EMI) e comportamento termico sono i fattori principali che bisogna tenere in opportuna considerazione in fase di design. I requisiti funzionali ed i valori di EMI, quindi, devono essere comunque soddisfatti per il buon esito dello stesso progetto.
Il problema fisico della compatibilità elettromagnetica (EMC) nasce quando, nello stesso ambiente, coesistono apparecchi con componenti elettrici e/o elettronici che possono generare campi elettromagnetici. Esistono innumerevoli esempi di interferenza elettromagnetica (EMI); gli effetti qualche volta hanno valenza relativa, quale ad esempio la distorsione della ricezione radiotelevisiva, ma possono avere effetti secondari anche disastrosi attraverso il guasto del prodotto (Figura 1).
Figura 1: Interferenza elettromagnetica
La direttiva dell’Unione Europea EMC 89/336/CEE che si applica alla quasi totalità degli apparecchi elettrici e/o elettronici è stata emessa nel 1989 ed opera dal 1° gennaio 1996. Si possono evidenziare tre metodi per prevenire o, almeno, limitare le interferenze:
- sopprimere o limitare le emissioni direttamente alla sorgente;
- rendere il percorso di propagazione il più efficiente possibile;
- rendere il ricevente meno suscettibile alle interferenze.
I meccanismi di propagazione dell’energia elettromagnetica sono in particolare tre: conduzione, accoppiamento reattivo e la radiazione elettromagnetica. Mentre la conduzione avviene via cavo, l’accoppiamento dipende essenzialmente dalla distanza e dalle dimensioni del circuito. Al fine di risolvere ogni problema di compatibilità elettromagnetica, si può pensare di dividere il tutto in quattro sotto problemi:
- emissioni irradiate (RE): onde elettromagnetiche che si propagano nel mezzo circostante e sono frutto dell’irradiazione di correnti che circolano lungo elementi conduttori;
- suscettibilità irradiata (RS): una sensibilità alle emissioni presenti nell’ambiente di lavoro;
- emissioni condotte (CE): segnali indesiderati emessi da un sistema e che si propagano da esso ad altri sistemi tramite i cavi di interconnessione;
- suscettibilità condotta (CS): la sensibilità di un sistema a segnali di disturbo che gli arrivano tramite il cordone di alimentazione o tramite altri cavi di interconnessione.
CONTROLLO DI EMI NEL PROGETTO DI PCB
La progettazione EMC è molto complessa con diversi fattori che entrano in gioco e intervengono nella fase di progettazione. Un punto fondamentale per il progettista è assicurare che tutte le sorgenti di EMI che si possono avere in un PCB, vengano considerate individualmente per adottare una tecnica di progettazione differente per entrambe. Il metodo più efficace per ridurre le emissioni di EMI è controllare i segnali in gioco sul PCB alla loro origine, contando che la maggior parte di questi segnali vengono originati dalle correnti di commutazione negli IC. Per capir meglio il fenomeno di EMI, bisogna pensare in termini di corrente e frequenza, piuttosto che di voltaggio e tempo. Le correnti irradiano di più ad alte frequenze, e piccole correnti possono causare più radiazione di quelle d’intensità maggiore. Ad esempio, poiché i cavi possono fungere da vere e proprie antenne, le correnti di rumore indotte su di essi possono esser molto piccole, ma possono anche irradiare significativamente. Tenendo presente che il fenomeno di EMI a livello di sistema deriva direttamente da quello nei PCB, è essenziale progettare al meglio il PCB stesso per il controllo di EMI del sistema totale. Dei molteplici meccanismi di EMI, quello nel PCB è dominato dalla radiazione cosiddetta differenziale (Differential Mode Radiation, DMR), mentre quella a livello di sistema è dominata dalla radiazione di modo comune (Common Mode Radiation, CMR). La DMR risulta da segnali e correnti di ritorno, che sono strettamente correlati. Invece, la CMR è la risultante delle correnti di perdita dei cavi. Sia nel modo differenziale che in quello comune, le quantità direttamente controllabili sono le correnti e le dimensioni dei cavi (antenne). Quindi, per raggiungere l’obiettivo di un buon design a livello di EMI, bisogna controllarle in modo da includere nel loro spettro di frequenza solo quelle armoniche necessarie per la corretta operatività del sistema, riducendo in tal modo notevolmente la possibilità di avere armoniche ad alta frequenza causanti emissioni non volute. Un altro aspetto notevole da considerare durante la progettazione di un PCB è l’effetto dovuto alle induttanze nelle quali circolano, in loop, delle correnti. L’impedenza propria dell’induttanza fa sì che si crei un potenziale non nullo nel passaggio della corrente attraverso essa; questo potrebbe essere fonte di disturbi attraverso i piani di massa, sulle ampiezze dei segnali, e quindi sommarsi alle emissioni EMI. I campi magnetici DC passano attraverso l’aria, dielettrico FR4 e rame quasi indisturbati. Campi magnetici AC sono influenzati solo dalle correnti indotte in un conduttore, di solito rame o stagno, etc. Quindi, assente da materiale ferromagnetico, possiamo concentrarci sulle correnti come l’unica fonte per modificare o attenuare campi magnetici AC in un normale PCB. La non conduttività della piastra di rame permetterebbe la trasparenza a qualsiasi campo magnetico come un foglio di carta. La corrente nel rame è l’unica fonte d’influenza sul campo magnetico e le correnti indotte cancelleranno qualsiasi campo magnetico all’interno dello schermo di rame (Figura 2).
Figura 2: Campo magnetico indotto, PCB
COME MINIMIZZARE IL FILTRAGGIO EMI
I convertitori AC-DC sono progettati per rispettare delle normative in termini di sicurezza ed interferenze elettromagnetiche. Il progettista dovrà ritenere indispensabile inserire filtraggi EMI per rispettare le normative. In tal senso alcune regole da seguire possono essere le seguenti:
- un primo approccio di esecuzione di test senza filtri aggiuntivi in modo da valutare gli effetti di interferenze;
- identificare sul PCB, EMI ed altre frequenze problematiche;
- mettere in relazione hardware le varie frequenze;
- fare un controllo dei cavi e delle messe a terra: ovvero uso di doppini e separazione di cavi segnali da quelli di potenza.
Se una di queste tecniche è non praticabile, un’alternativa tecnica è la minimizzazione del rumore allontanando il più possibile cavi e piste. Considerare la possibilità di schermare i cavi soggetti a transitori veloci di corrente e tensione. Nei sistemi integrati che hanno molti punti di connessione a massa è necessario uno studio del sistema per rilevare eventuali loop di terra e quindi eliminarli. Per far fronte a problemi di EMI che non si risolvono con tecniche descritte in precedenza, si può progettare un filtro esterno aggiungendo elementi induttivi in serie all’ingresso AC del convertitore. E’ necessario fare attenzione per prevenire effetti di ring-up che si innescano quando la corrente diretta attraverso un’induttanza in serie è sufficiente a saturare l’induttore del filtro, al punto di generare una corrente di picco elevata. Le correnti dovrebbero tornare alle loro sorgenti attraverso area di loop più piccola possibile, vicino e compatto localizzato vicino al percorso di andata; il sistema dovrebbe avere un unico piano di riferimento. Se non viene rispettato si formano loop di corrente o loop di dipoli se ci sono più piani di riferimenti. Il Layout PCB deve eliminare qualsiasi loop capace di irradiare/captare energia elettromagnetica (Figura 3).
Figura 3: loop di corrente
Figura 4: disaccoppiamento dell’alimentazione
Figura 5: disaccoppiamento di circuiti integrati
Lo stack up della scheda PCB, ovvero la configurazione dei layer all’interno del PCB, è un fattore molto importante per la performance della scheda in termini di EMC. Un buon stack-up può ridurre le radiazioni emesse dai percorsi chiusi (emissioni di modo differenziale) e dai cavi connessi ad esse (emissioni di modo comune); riguarda principalmente i seguenti aspetti: numero di strati (layer), numero e tipo di piani (ground, power plane), sequenza di strati e spaziatura. Un ulteriore metodo per migliorare le performance in termini di integrità del segnale è isolare i componenti sulla scheda PCB in base alla velocità e sensibilità al rumore. Circuiti analogici a basso livello di tensione, circuiti digitali ad alta velocità e circuiti rumorosi devono essere separati tra loro per limitare l’accoppiamento. Il disaccoppiamento dell’alimentazione (Figura 4 e 5) è una pratica standard nei progetti di PCB mixed signal perché è importante nel rimuovere il rumore introdotto dall’alimentazione. Il rumore ad alta frequenza sugli alimentatori causa problemi per quasi tutti i dispositivi digitali ed analogici; questo tipo di rumore è tipicamente generato dal sistema di gestione della massa o anche dallo stesso dispositivo digitale. Il metodo più semplice per attenuare il rumore dell’alimentazione è di disaccoppiare il rumore ad alta frequenza dal ground attraverso dei condensatori posti tra i pin di alimentazione e massa dei dispositivi attivi.
Interessante articolo,
tra l’altro inerente un tema che coinvolge molti progettisti di schede elettroniche, sia a livello “maker” che professionale. Dal mio punto di vista, almeno nel caso dell’impiego di circuiti integrati per la gestione della alimentazione (come il regolatore LT8611 riportato nella figura 4), uno strumento preziosissimo resta sempre e comunque il data sheet completo che accompagna il dispositivo; in esso si trovano, tra l’altro, applicazioni tipiche e raccomandazioni su come pensare il layout su pcb del componente e della serie di passivi che sono raccomandati per il suo corretto funzionamento. In molti casi già queste raccomandazioni instradano verso la progettazione di un circuito soddisfacente dal punto di vista della corretta gestione e minimizzazione dei disturbi dovuti a EMI.
Saluti.
Articolo veramente interessante ed utile sia per come vengono evidenziati in dettaglio i fenomeni fisici coinvolti nei disturbi sia per come sono descritti gli accorgimenti da prendere Sicuramente, come è stato descritto all’inizio dell’artico, la problematica relativa alla compatibilità elettromagnetica è stata presa in considerazione relativamente da pochi anni. Senza tali accorgimenti, con tutti i dispositivi elettronici in funzione nelle nostre case, ci troveremmo ad avere oggetti che funzionano male e anche meno sicuri.
Articolo ben fatto, argomento di sicuro molto ampio per essere trattato con un solo articolo. Di sicuro l’esperienza del progettista fa il grosso del lavoro, sia per la scelta dei componenti (non tutti ci condensatori da 100n sono uguali) che per il loro posizionamento sul PCB.
Mi sono spesso trovato a progettare schede con sezioni di alta tensione e parti di logica a microcontrollore sullo stesso PCB e le interferenze tra piste e sui piani di massa, quando presenti, hanno sempre creato i loro problemi, più o meno visibili con un normale debug funzionale della scheda.