La gestione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) è una delle principali sfide che i progettisti elettronici devono affrontare per garantire che i PCB possano funzionare in modo corretto e affidabile. Per EMI si intende l'energia elettromagnetica indesiderata che interferisce con il normale funzionamento dei dispositivi elettronici, causando potenziali malfunzionamenti o guasti.
L'attenuazione delle EMI diventa sempre più importante quando la densità dei componenti elettronici è alta, le frequenze operative sono elevate e occorre rispettare tolleranze più strette. Le tecniche di layout, la disposizione delle masse, la schermatura, il filtraggio e il posizionamento dei componenti sono alcune delle strategie di mitigazione delle EMI discusse in questo articolo.
Il controllo delle EMI dipende in larga misura dal layout della scheda. I progettisti possono ridurre il rischio di problemi di interferenza elettromagnetica utilizzando strategie di layout adeguate, come quelle descritte di seguito.
L'instradamento dei segnali è un fattore chiave da considerare nella progettazione dei circuiti stampati. È importante instradare con cura i segnali ad alta velocità per limitare la lunghezza delle tracce, poiché le linee più lunghe possono funzionare come antenne ed emettere interferenze elettromagnetiche.
I progettisti dovrebbero utilizzare coppie differenziali quando instradano segnali ad alta frequenza, in quanto sono in grado di eliminare efficacemente il rumore di modo comune. Inoltre, riducendo al minimo la lunghezza e garantendo un percorso diretto per le tracce di segnale, si riduce la probabilità che queste funzionino come emettitori di radiazioni. È essenziale evitare le curve ad angolo retto, poiché possono provocare riflessioni e amplificare le EMI. È invece consigliabile utilizzare angoli di 45 gradi o tracce curve (Figura 1).
Figura 1: Evitare le tracce con angoli di 90°
La disposizione dei layer di un PCB ha un impatto considerevole sulle sue prestazioni EMI. Una corretta disposizione dei layer può offrire una schermatura efficiente e favorire il controllo dell'impedenza. Un esempio è dato dal posizionamento di un piano di massa continuo adiacente a uno strato di segnale, che determina la formazione di un percorso di ritorno a bassa induttanza. Questo, a sua volta, riduce la probabilità di interferenze elettromagnetiche.
Una configurazione comune di stackup può consistere in strati alternati di piani di segnale e di massa o di potenza, con strati di segnale ad alta velocità posizionati adiacenti ai piani di massa. Questa soluzione attenua efficacemente le interferenze elettromagnetiche e riduce al minimo le interferenze di segnale tra canali diversi.
È fondamentale garantire che le tracce di segnale abbiano un percorso di ritorno distinto e a bassa induttanza per ridurre al minimo le EMI. Le tracce di segnale devono essere accompagnate da un piano di massa adiacente per consentire alla corrente di ritorno di passare direttamente sotto la traccia di segnale. Questa distanza ravvicinata riduce le dimensioni del loop, un aspetto importante per ridurre le onde elettromagnetiche emesse.
Quando il percorso di ritorno è interrotto, la corrente potrebbe seguire un percorso più lungo e meno diretto, con conseguente aumento dell'area del loop e delle EMI.
La messa a terra è un elemento essenziale della progettazione dei circuiti stampati, in particolare quando si tratta di EMI. Un sistema di messa a terra efficacemente progettato ha la capacità di inibire la propagazione del rumore e di ridurre al minimo la vulnerabilità alle interferenze esterne.
L'utilizzo di un piano di massa senza interruzioni è un metodo molto efficace per gestire le EMI. I piani di massa servono come percorsi a bassa impedenza per le correnti di ritorno e offrono protezione ai circuiti più sensibili schermandoli dai disturbi irradiati. Piani di massa multipli in PCB multistrato possono fornire una schermatura aggiuntiva e ridurre efficacemente le EMI. È importante che i piani di massa rimangano solidi e senza interruzioni o divisioni, poiché le interruzioni possono portare a percorsi con impedenza elevata e provocare un aumento del rumore.
I progettisti possono utilizzare diversi schemi di messa a terra, a seconda dell'applicazione. Un approccio comune è quello di utilizzare una messa a terra a punto singolo, in cui tutti i collegamenti a terra convergono in un unico punto. Questo metodo è efficace per i progetti a bassa frequenza.
Per i progetti ad alta frequenza, può essere più appropriata una messa a terra su più punti, in cui le connessioni a terra vengono effettuate in più punti per ridurre al minimo i loop induttivi. Inoltre, la separazione delle masse analogiche e digitali può evitare che il rumore dei circuiti digitali contamini i segnali analogici sensibili. Se la separazione è necessaria, le masse devono essere collegate in un unico punto, in genere vicino alla sorgente di alimentazione.
I loop di massa sono una fonte significativa di EMI. Questi eventi derivano dall'esistenza di molti percorsi di massa che creano un loop, portando alla ricezione di interferenze e all'introduzione di disturbi nel sistema. Per evitare i loop di massa, i progettisti devono stabilire un punto unico per tutti i collegamenti di massa ed evitare di creare diversi canali che potrebbero potenzialmente creare un loop. Implementando un sistema di collegamento a stella delle masse, in cui tutti i collegamenti di massa hanno origine da un unico punto centrale, è possibile evitare efficacemente i loop di massa.
La schermatura è un metodo efficace per contenere e controllare le emissioni elettromagnetiche, soprattutto in ambienti con alti livelli di EMI o con componenti sensibili.
La schermatura può essere ottenuta utilizzando involucri conduttivi o involucri avvolti intorno al PCB o a componenti specifici. Questi involucri agiscono come gabbie di Faraday, impedendo alle EMI di entrare o uscire dall'area chiusa. Le custodie o le coperture metalliche possono essere utilizzate per schermare l'intero PCB o le sezioni critiche. Ad esempio, l'applicazione di uno schermo metallico sui componenti analogici sensibili può proteggerli dai disturbi digitali (Figura 2).
Figura 2: Le schermature metalliche proteggono aree sensibili del PCB dalle EMI
È fondamentale collegare le schermature a terra per garantirne l'efficacia. Uno schermo non correttamente collegato a terra può agire come un'antenna e aggravare i problemi di EMI. Il collegamento a terra deve essere il più breve e diretto possibile per fornire un percorso a bassa impedenza. In alcuni casi, può essere necessario collegare a terra lo schermo in più punti per garantire un efficace contenimento delle EMI.
Oltre agli involucri esterni, è possibile implementare una schermatura a livello di PCB. Si tratta di posizionare delle schermature su componenti o aree specifiche del PCB. Queste schermature possono essere saldate direttamente sul PCB e sono particolarmente utili nei progetti compatti dove lo spazio per la schermatura esterna è limitato.
I filtri sono fondamentali per evitare che le frequenze indesiderate si propaghino attraverso il circuito stampato e causino interferenze.
I condensatori di disaccoppiamento (Figura 3) sono comunemente utilizzati per filtrare i disturbi ad alta frequenza provenienti dagli alimentatori. Posizionando questi condensatori in prossimità dei pin di alimentazione dei circuiti integrati (IC), i progettisti possono efficacemente deviare il rumore ad alta frequenza verso terra, evitando che si diffonda sulla scheda. È importante selezionare condensatori con valori appropriati per le frequenze di interesse e posizionarli il più vicino possibile ai circuiti integrati che devono filtrare.
Figura 3: I condensatori di disaccoppiamento andrebbero posizionati in prossimità dei pin di alimentazione dei circuiti integrati
Le ferriti sono un altro componente di filtraggio efficace, in quanto forniscono un'alta impedenza alle alte frequenze e quindi attenuano le EMI. Questi componenti sono spesso collocati sulle linee di alimentazione o di segnale per bloccare i disturbi ad alta frequenza e consentire il passaggio dei segnali a bassa frequenza. Quando si scelgono le ferriti, è essenziale considerare le loro caratteristiche di impedenza rispetto alla frequenza per garantire un filtraggio efficace alle frequenze desiderate.
I progettisti possono anche implementare filtri RC e LC per indirizzare e attenuare specifiche gamme di frequenza. Questi filtri possono essere utilizzati sulle linee di segnale per eliminare i disturbi ad alta frequenza o sulle linee di alimentazione per fornire un filtraggio aggiuntivo rispetto a quello offerto dai condensatori di disaccoppiamento. Un'attenta selezione dei valori dei componenti è fondamentale per garantire che il filtro sia efficacemente mirato alle frequenze indesiderate senza influenzare negativamente i segnali desiderati.
Il posizionamento dei componenti su un circuito stampato è un fattore critico per il controllo delle EMI. Un posizionamento strategico può ridurre significativamente il potenziale di interferenza e migliorare le prestazioni complessive del circuito.
È importante tenere separati i componenti e le tracce ad alta velocità dai componenti analogici sensibili e a bassa velocità. I segnali digitali ad alta velocità possono generare un rumore considerevole, che può facilmente accoppiarsi ai circuiti analogici vicini se non viene isolato correttamente. Raggruppando i componenti ad alta velocità e mettendoli lontano dai circuiti analogici sensibili, è possibile ridurre al minimo il rischio di interferenze.
Anche il posizionamento dei componenti dell'alimentazione, come regolatori, induttori e condensatori, è fondamentale per il controllo delle EMI. Questi componenti possono generare un notevole rumore elettromagnetico, soprattutto negli alimentatori switching. Per contenere questo rumore, i componenti dell'alimentazione devono essere posizionati vicino all'ingresso di alimentazione e lontano dalle aree sensibili del PCB. Inoltre, il posizionamento di condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin di alimentazione dei circuiti integrati può evitare che il rumore dell'alimentazione influisca sul resto del circuito.
I segnali di clock sono una fonte comune di EMI a causa della loro alta frequenza e della loro natura ripetitiva. Pertanto, è essenziale un'attenta collocazione dei generatori di clock e del loro instradamento. I segnali di clock devono essere mantenuti il più corti possibile e instradati lontano dai circuiti analogici sensibili. In alcuni casi, l'uso di schermature o il posizionamento di tracce di terra adiacenti alle tracce di clock può aiutare a contenere le emissioni irradiate.
Sebbene l'attenzione principale per la mitigazione delle EMI sia rivolta alle tecniche di progettazione, è altrettanto importante considerare la producibilità per garantire che il progetto possa essere prodotto efficacemente senza compromettere le prestazioni EMI.
I processi di produzione comportano intrinsecamente una variabilità che può influenzare le prestazioni EMI del prodotto finale. Per tenere conto di queste variazioni, i progettisti devono incorporare nel progetto le tolleranze appropriate. Ad esempio, il posizionamento dei componenti, la larghezza delle tracce e le dimensioni di impilamento degli strati devono essere progettati tenendo conto delle tolleranze di produzione. In questo modo si garantisce che le prestazioni EMI rimangano costanti nei diversi lotti di produzione.
La scelta dei materiali dei circuiti stampati svolge un ruolo significativo nelle prestazioni EMI. I materiali con costanti dielettriche elevate possono contribuire a ridurre la propagazione dei segnali ad alta frequenza, mentre quelli con basse tangenti di perdita possono minimizzare l'attenuazione del segnale. È fondamentale scegliere i materiali che garantiscano un equilibrio tra prestazioni e producibilità, assicurando che il PCB soddisfi i requisiti EMI senza introdurre problemi di produzione.
Anche il processo di assemblaggio può influire sulle prestazioni EMI. Ad esempio, le giunzioni di saldatura con un'elevata induttanza possono introdurre disturbi nel circuito. Per mantenere l'efficacia delle strategie di mitigazione delle EMI implementate durante la fase di progettazione, è essenziale che i processi di assemblaggio siano strettamente controllati e che i componenti siano saldati correttamente.
Dopo aver implementato le strategie di mitigazione delle EMI, è fondamentale condurre test e validazioni approfondite per garantire che il PCB soddisfi gli standard EMI richiesti.
Una delle fasi essenziali di questo processo è l'esecuzione di test EMI in un ambiente controllato, come una camera anecoica. Questo ambiente consente ai progettisti di misurare con precisione le emissioni elettromagnetiche del PCB e di identificare qualsiasi potenziale problema. I test devono comprendere sia le emissioni irradiate che quelle condotte, assicurando che il PCB sia conforme a tutti gli aspetti degli standard EMI.
I test EMI spesso evidenziano problemi che richiedono modifiche iterative alla progettazione. In base ai risultati dei test, i progettisti potrebbero dover rivedere vari aspetti del progetto del PCB, come il layout, la messa a terra e le strategie di schermatura. Questo processo di test e perfezionamento iterativo è fondamentale per ottenere prestazioni EMI ottimali e garantire che il PCB soddisfi tutti i requisiti necessari.
07.12.2024