Un'introduzione alla misurazione delle EMI e dell'EMC degli alimentatori – Parte 1: EMI condotte

I dispositivi elettronici sono ormai onnipresenti e il loro proliferare spinge a chiedersi quanto interferiscano l'uno con l'altro. Per stabilirlo, utilizziamo come metriche la compatibilità elettromagnetica (EMC) e le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Le misurazioni EMI quantificano in che misura un dispositivo limita le interferenze con altri dispositivi o sistemi. Le misurazioni EMC, per contro, quantificano l'impatto dei sistemi esterni sul funzionamento del dispositivo elettronico testato.

Per ridurre al minimo le interferenze e assicurare la compatibilità di tutti i sistemi e i dispositivi elettronici, sono stati stabiliti diversi standard sia nazionali che internazionali. Fra le organizzazioni di questi standard vi sono il Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR), l'International Electrotechnical Commission (IEC), l'International Organization for Standardization (ISO), la Society of Automotive Engineers (SAE), la Federal Communications Commission (FCC) e molte altre.

Il test di accettazione dell'elettronica è un rito di passaggio per tutti i produttori e, prima di iniziare qualsiasi progetto, i progettisti dovrebbero essere consapevoli dei tipi di test e dei limiti delle specifiche. Analogamente, gli ingegneri dello sviluppo e i tecnici dovrebbero essere in grado di eseguire test di pre-conformità per ridurre al minimo i ritardi imprevisti nell'accettazione e introduzione di un prodotto.

La progettazione dell'alimentazione dal punto di vista delle EMI presenta al progettista numerose sfide. L'interferenza può propagarsi dall'alimentazione tramite irraggiamento via etere (interferenza irradiata) oppure essere condotta lungo il cablaggio del dispositivo (interferenza condotta). Gli standard dei test hanno misurazioni per entrambi i tipi di interferenze. Questo post si occuperà delle EMI condotte.

Test delle EMI condotte

Le interferenze condotte da un'alimentazione derivano dal flusso di corrente discontinuo all'interno di un dispositivo di alimentazione a commutazione. Le interferenze condotte sono suddivise in due componenti: segnali di modo comune e segnali differenziali (Figura 1). Si noti che i segnali di modo comune viaggiano nella stessa direzione nelle linee tra la fonte di alimentazione e il dispositivo sotto test (DUT), che in questo caso è un alimentatore. La linea di terra fornisce il percorso di ritorno necessario. I segnali differenziali corrono in direzioni opposte.

Figura 1: Le EMI condotte sono costituite da segnali di modo comune e segnali differenziali in base alla direzione del flusso del segnale tra il DUT e la fonte di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I test delle emissioni condotte richiedono l'uso di una rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN) installata tra la fonte di alimentazione e il DUT (Figura 2).

Figura 2: Esempio di LISN posizionata tra la fonte di alimentazione (linea, L e neutro, N) e l'alimentazione testata. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La LISN è fondamentalmente un filtro passa-basso inserito in serie con la fonte di alimentazione. Il suo scopo è assicurare un'impedenza della fonte conosciuta stabile sull'intervallo di frequenza testato. Fornisce anche l'isolamento tra la fonte di alimentazione e il DUT e l'apparecchiatura di misura dalla fonte di alimentazione in ingresso. Tenere presente che fornisce anche una connessione per gli strumenti di misurazione, in genere un analizzatore dello spettro o un ricevitore delle EMI, a livelli di ampiezza sicuri.

La scheda di gestione del consumo energetico dell'analizzatore dello spettro DC2130A di Analog Devices è una doppia LISN. Una sezione della scheda di valutazione fornisce 10 dB di attenuazione su un intervallo di frequenza fino a 800 MHz per la porta di misurazione. L'altra sezione offre un guadagno di 30 dB per amplificare piccoli segnali EMI su un intervallo di frequenza da 10 MHz a 2,5 GHz. Ogni sezione può essere usata in modo indipendente, oppure può essere combinata con altre (Figura 3).

Figura 3: Impostazione della DC2130A utilizzando le LIN da -10 dB e +30 dB per l'isolamento di modo comune. L'alimentatore/la batteria fornisce alimentazione per l'amplificatore da +30 dB. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per mitigare le EMI condotte su un progetto esistente in genere occorre aggiungere un filtro EMI tra la fonte di alimentazione e l'ingresso dell'alimentazione al DUT. I più recenti progetti per i convertitori c.c./c.c. hanno inserito dei filtri EMI attivi integrati, il che permette di ridurre in modo significativo le EMI in un'area fisica più piccola rispetto ai filtri dei componenti discreti.

Un esempio di questo filtro attivo è incorporato nella scheda di valutazione LM25149-Q1EVM-2100 di Texas Instruments (Figura 4). Questa scheda usa il convertitore buck sincrono LM25149-QI con un filtro EMI attivo. Il convertitore dispone anche di una modulazione a divisione di spettro la cui frequenza modula il clock di commutazione per distribuire qualsiasi EMI su un campo di frequenze, riducendo così le ampiezze di picco.

Figura 4: La scheda di valutazione LM25149-Q1EVM-2100 usa un filtro EMI attivo, oltre alla modulazione a divisione di spettro. Quest'ultima distribuisce le EMI su un campo di frequenze per ridurre le ampiezze di picco. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per questa scheda di valutazione, l'efficacia di queste tecniche può essere vista in un test sulle emissioni condotte CISPR 25 Classe 5, confrontando le EMI condotte senza alcuna funzione di mitigazione abilitata per il funzionamento sia con il filtro EMI attivo che con la commutazione a divisione di spettro (Figura 5). I test utilizzano i grafici dello spettro dell'ampiezza delle EMI in dB rispetto alla frequenza.

Figura 5: Grafici delle emissioni condotte CISPR 25 Classe 5 con il confronto dei livelli delle EMI tra le operazioni senza mitigazione delle EMI (a), con i livelli delle EMI con il filtro EMI attivo e la divisione di spettro abilitata (b). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le linee orizzontali rosse segnano i livelli di picco e medi del test per le EMI condotte per la certificazione CISPR 25 Classe 5. Lo spettro di picco misurato, raffigurato in giallo - senza mitigazione - è all'incirca uguale al limite del test di picco alla frequenza di commutazione di 2,1 MHz, superando il limite del test medio. Con il filtraggio delle EMI e la commutazione a divisione di spettro, entrambi i picchi sono ben al di sotto dei limiti del test.

Conclusione

L'estrema diffusione dei dispositivi elettronici rende sempre più importanti i test EMI ed EMC e la mitigazione, ma si tratta di un'arte complessa. Tuttavia, ci sono alcuni principi di base. Come mostrato, il test delle EMI condotte richiede una fonte di alimentazione, delle LISN e un analizzatore di spettro o un ricevitore EMI. La Parte 2 di questa serie tratterà i test delle EMI irradiate.