Progettazione dei PCB: Difendersi dalle EMI

Con il passare degli anni, nella continua corsa alla miniaturizzazione e alla riduzione dei costi richiesta dal mercato, gli sviluppatori HW hanno dovuto sottostare ad una serie di compromessi progettuali, arrivando anche a peggiorare, in alcuni casi, le prestazioni dei loro circuiti in termini di emissione o reiezione di interferenze elettromagnetiche. Oggi, con le più recenti (e stringenti) disposizioni di Legge, è diventato più che mai necessario porre un rimedio a questa situazione.

Le Interferenze Elettromagnetiche, dette EMI (dall’inglese Electromagnetic Interefence), chiamate anche RFI (Radio Frequency Interference), sono tra le prime cause di disturbo in quello che è il normale funzionamento di un dispositivo elettronico. Sin dai primi giorni in cui i dispositivi a radio frequenza iniziarono la loro espansione nelle case del grande pubblico, in contemporanea ebbero inizio anche gli effetti collaterali di un mondo ricco di interferenze elettromagnetiche. Questa tipologia di disturbo ha un retaggio anche in ognuno di noi, poiché tutti almeno una volta, davanti alla TV analogica ci siamo alzati dalla nostra comoda poltrona per “sistemare” la ricezione muovendo l’antenna. Oggi viviamo in un mondo in cui il numero di dispositivi emettitori è triplicato rispetto a 10 anni fa, eppure i noti problemi che si riscontravano allora sono stati notevolmente ridotti. Questo grazie a una serie di “Regole” che le autorità hanno imposto ai produttori per limitare tali disturbi. In questo articolo ci concentriamo sugli aspetti a cui un progettista di PCB deve far attenzione per ridurre al minimo l’emissione e la ricezione elettromagnetica indesiderata. In Figura 1 è riportato un esempio di EMI, nella quale un dispositivo “emettitore o emittente” genera l’EMI, il segnale elettromagnetico si propaga attraverso l’etere raggiungendo il secondo dispositivo “vittima”, il quale sarà soggetto ai disturbi elettromagnetici.

Figura 1: esempio interferenza EMI tra due dispositivi

Figura 1: esempio interferenza EMI tra due dispositivi

Con lo scopo di studiare e ridurre tale fenomeno, è nata una branca dell’ingegneria che si occupa appositamente della “Compatibilità Elettromagnetica”, detta EMC. Due sono le problematiche che si cerca di migliorare:

  1. La problematica di emissione: dove lo scopo ultimo è quello di ridurre la generazione non intenzionale di radiazione elettromagnetica, impedendone la trasmissione
  2. La problematica di suscettibilità: ovvero quanto il corretto funzionamento di un dispositivo elettronico è soggetto ai disturbi elettromagnetici

In linea di massima, la riduzione di tali disturbi dovrebbe seguire le seguenti tre semplici regole:

  1. Ridurre le emissioni alla sorgente
  2. Ostacolare il percorso di propagazione, rendendolo inefficiente
  3. Isolare il ricevitore dalle interferenze

In questo articolo poniamo la nostra attenzione principalmente alla prima tecnica, dato che, dalla progettazione del PCB può scaturirne o meno l’emissione di EMI.

I DIVERSI TIPI DI EMI

I meccanismi di trasmissione elettromagnetica, oltre che attraverso la conduzione diretta, possono avvenire nei seguenti due modi:

  1. Per accoppiamento Induttivo/Capacitivo
  2. Per radiazione elettromagnetica

La conduzione dell’energia elettromagnetica avviene o per frequenze molto elevate o per tensioni molto elevate. Entrando più approfonditamente nel merito del discorso, esistono due tipi di accoppiamenti: quello capacitivo e quello induttivo. Nel caso di accoppiamento capacitivo, in Figura 2 è mostrato quando e come può presentarsi tale fenomeno. Supponendo di avere due cavi alimentati da due sorgenti differenti (V1 e V2), ognuno di essi non sarà immune alle capacità parassite verso massa (in figura mostrate come C1 e C2), ed infine una mutua capacità che determinerà l’accoppiamento incriminato C12.

Figura 2: esempio di accoppiamento Capacitivo

Figura 2: esempio di accoppiamento Capacitivo

Utilizzando il principio di sovrapposizione degli effetti è facile osservare come nel Cavo 2, attraverso la capacità di accoppiamento, si “insidierà” una componente della tensione V1 sul carico, avente il seguente valore:

Questa tipologia di accoppiamento introduce notevoli disturbi di corrente, traducendosi in grandi sbalzi di tensione nel caso di sistemi con grandi impedenze di carico (tenendo presente che la capacità parassita di un cavo è nell’ordine di 100 pF). I metodi di risoluzione sono principalmente due: il primo consiste nel posizionare i due conduttori geometricamente distanti, ed il secondo consiste nell’aumentare la Capacità C2. Questo secondo metodo è poco praticabile poiché si rischierebbe di ridurre eccessivamente la banda di lavoro della linea 2. Riguardo l’accoppiamento induttivo, in Figura 3 ne è mostrato un esempio.

Figura 3: esempio di accoppiamento Induttivo

Figura 3: esempio di accoppiamento Induttivo

 

Figura 4: antenna a doppio dipolo

Figura 4: antenna a doppio dipolo

Dato che in un circuito chiuso fluisce una corrente, se essa attraversa un induttore, genera un campo elettromagnetico, il quale si accoppierà mutuamente con l’induttore presente nel Cavo 1, generando una tensione di disturbo nel Cavo 2 pari a:

Speculare all’accoppiamento capacitivo, quello induttivo genera un disturbo di tensione. L’ovvia soluzione al problema sta nella riduzione del parametro di mutua induzione M12, attraverso il posizionamento distanziato dei due conduttori ed intrecciando i due poli del circuito da proteggere, creando un’efficace schermatura da disturbi esterni ed annullando le emissioni. L’ultima causa di trasmissione di energia elettromagnetica è anche quella con la quale ci si deve più spesso confrontare nella progettazione di un PCB, ovvero l’irradiazione elettromagnetica. Delle tre tipologie è anche la più complessa da mettere a fuoco e comprendere a fondo, essa infatti si basa sullo stesso principio di trasmissione delle stazioni radio, dove il segnale elettrico è fatto scorrere su di un polo non connesso (detto antenna, caratterizzato da parametri geometrici ben precisi). Attraverso esso verrà irradiato un segnale elettromagnetico con la stessa “forma d’onda” del segnale sorgente. L’esempio più semplice di antenna è detto “dipolo” ed esso è formato dalla connessione dei due poli del segnale da trasmettere in una struttura simile a quella rappresentata in Figura 4, dove su un singolo asse vengono posti due spezzoni di metallo interconnessi tra loro, ed aventi una lunghezza pari a metà della lunghezza d’onda del segnale trasmesso, ovvero la misura in metri di un periodo (come mostrato in Figura 5).

Figura 5: rappresentazione grafica lunghezza d’onda

Figura 5: rappresentazione grafica lunghezza d’onda

Il calcolo è dato dal rapporto tra velocità di propagazione e frequenza del segnale. La velocità di propagazione dipende dal mezzo attraverso il quale l’onda elettromagnetica si propaga, mentre la frequenza è il parametro chiave che determinerà se un segnale può generare o meno EMI. Infatti, alle alte frequenze, oltre ad aumentare la lunghezza d’onda, si otterrà una maggior emissione elettromagnetica. Ovviamente il fenomeno appena descritto fa riferimento ad una radiazione “volontaria”, ma nei sistemi elettronici questo fenomeno è facile ritrovarlo in maniera non voluta. L’integrità del segnale detta “SI” (dall’Inglese Signal Integrity), rappresenta “quanto” l’informazione viene compromessa dalle interferenze elettromagnetiche. L’indice SI viene utilizzato maggiormente per segnali di tipo digitale, tenendo conto che i fattori che vengono maggiormente presi in considerazione sono:

  • Transizioni veloci e pulite
  • Livelli logici stabili
  • Precisione nelle tempistiche di funzionamento

I tre fattori appena elencati hanno un denominatore comune: la frequenza. E’ infatti semplice comprendere come l’aumento della frequenza renda tutti e tre i parametri sempre più difficili da controllare. È necessario dire che per bassi valori di frequenza una qualsiasi linea si trasmissione possiede solo degli effetti resistivi, ma all’aumentare della frequenza di lavoro, iniziano ad apparire effetti capacitivi ed induttivi. L’impedenza totale è detta “impedenza intrinseca”. Partendo dal modello approssimato del primo ordine mostrato in Figura 6, è semplice calcolare l’impedenza intrinseca, che si trasforma nel parametro chiave sulla valutazione dell’integrità del segnale.

Figura 6: approssimazione primo ordine linea di trasmissione

Figura 6: approssimazione primo ordine linea di trasmissione

Sono due i tipi di Interferenza Elettromagnetica generata da un errato dimensionamento del PCB

  1. Riflessione del segnale da parte della sorgente, in cui l’impedenza di uscita del carico (ZS) non coincide con l’impedenza intrinseca della linea. Tale fenomeno ha come coefficiente di riflessione: (ZS-Z0)/ (ZS+Z0)
  2. Riflessione del segnale da parte del carico, in cui l’impedenza di uscita del carico (ZL) non coincide con l’impedenza intrinseca della linea. Tale fenomeno ha come coefficiente di riflessione: (ZL-Z0)/ (ZL+Z0)

Questo tipo di disturbo è rappresentato in Figura 7 (in rosso), dove una componente di disturbo si sovrappone all’informazione, rischiando di comprometterne l’integrità.

Figura 7: segnale soggetto al disturbo di riflessione

Figura 7: segnale soggetto al disturbo di riflessione

RACCOMANDAZIONI DA SEGUIRE NEL PCB

Per la progettazione di un PCB, le regole da seguire per la riduzione delle EMI hanno come unico scopo quello di ridurre gli effetti descritti precedentemente. Quindi, studiando opportunamente la geometria del cablaggio, si potrà evitare l’interferenza dovuta alle componenti introdotte dagli accoppiamenti induttivi e capacitivi, oltre alle accortezze durante lo sbroglio per evitare l’involontaria creazione di “antenne” irradianti. Di seguito sono riportate delle linee guida per il corretto posizionamento della componentistica durante la progettazione del PCB: suddividere le aree del circuito in funzione delle loro caratteristiche, posizionare la parte relativa alla potenza in una porzione di PCB e quella di piccolo segnale in un’altra, stesso criterio per quanto riguarda le alte e basse frequenze o componenti analogici e digitali. Il rischio nel mantenere ad esempio vicini tra loro la parte di potenza con quella di piccolo segnale, sta nell’introduzione di interferenze elettromagnetiche generate dalla prima, con intensità confrontabile alle informazioni contenute nella parte di piccolo segnale.

  • Disaccoppiamento delle componenti di altra frequenza connesse a capacità di dimensioni comprese tra il nF ed il F. Questo avviene grazie alla connessione di queste ultime con la massa attraverso delle piccole capacità (100 pF), che fungendo da filtro “passa alto” scaricano le componenti ad alta frequenza indesiderate.
  • Mantenere a debita distanza tra loro componenti sensibili come oscillatori e quarzi.
  • Creazione di un grande piano di massa (preferibilmente un intero strato in caso di PCB multistrato).
  • Creazione di un secondo piano di massa per rendere tutti i componenti il più vicino possibile ad esso.

Va tenuto presente che la connessione tra i due piani di massa può facilmente irradiare, poiché è del tutto simile ad un doppio dipolo. L’operazione di sbroglio ha anche qualche semplice regola da seguire per evitare Emi e mantenere l’integrità del segnale, come ad esempio:

  • Evitare di creare angoli retti nelle curve delle piste, utilizzare piuttosto angoli a 45°. Il motivo principale sta nella “Teoria delle Punte” (Benjamin Franklin), la quale dice che: l’elettricità tende a scorrere sulla superficie nel mezzo conduttore e predilige spigoli e punte. Ciò implica che uno spigolo più acuto tende ad essere attraversato da più carica, e quindi potenzialmente ad irradiare maggiormente.
  • Schermare un oscillatore circondando i suoi due pad con la massa, come mostrato in Figura 8, in modo da far convergere verso massa eventuali EMI trasmesse.
  • Evitare al minimo i passaggi di segnali molto rapidi tra diversi strati attraverso le vie. Questo poiché il segnale ad alta frequenza è maggiormente predisposto ad irradiare, ed il passaggio attraverso vie e strati avviene spesso attraverso piccole sezioni di conduttori che (alla stessa maniera dei diversi piani di massa connessi tra loro), si comporterebbero come dei doppi dipoli irradiando un campo elettromagnetico.
  • Evitare poli non connessi per non creare mini antenne irradianti.
Figura 8: esempio di schermatura di un oscillatore

Figura 8: esempio di schermatura di un oscillatore

CONCLUSIONI

Quanto descritto permette di comprendere meglio l’impegno che deve mettere il progettista HW, affinché l’integrità delle informazioni e quindi l’intera funzionalità del sistema non venga compromessa a causa di questi imprevedibili disturbi. Un valido strumento di progettazione che permette di ridurre eventuali errori di interferenza elettromagnetica, sta proprio negli strumenti CAD utilizzati per lo sbroglio delle piste (ad esempio Altium od Orcad) i quali, seguendo le principali regole di progettazione, segnalano eventuali anomalie come angoli acuti che possono irradiare, o piste troppo vicine che possono essere cause di accoppiamenti reattivi. Sono anche presenti sempre più sovente strumenti di appoggio, nei quali, specificando le dimensioni geometriche degli strati e le caratteristiche fisiche dei materiali (come ad esempio costanti dielettriche), si ha la possibilità di calcolare parametri come l’impedenza intrinseca o la latenza di trasmissione del segnale (nell’ordine di qualche picosecondo). Attraverso il marchio “CE”, oggi noi consumatori abbiamo delle garanzie nell’acquisto di sistemi opportunamente schermati sia nella ricezione che nella trasmissione di eventuali EMI. E le case di produzione dedicano molta attenzione alle componenti EMI attraverso migliaia di ore in camere schermate, provando e riprovando quanto un sistema risulti inerte alle EMI ed a quali limiti possa esserne compromesso il funzionamento.

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5 Commenti

  1. davide.balducci davide.balducci 22 Marzo 2020
  2. SuperG72 SuperG72 23 Marzo 2020
  3. Filippo Casella Filippo Casella 24 Marzo 2020
  4. Temyra 24 Marzo 2020
  5. Maurizio Maurizio 31 Marzo 2020

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