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I sistemi elettronici nelle applicazioni industriali, automobilistiche e di personal computing stanno diventando sempre più densi e interconnessi. Per migliorare il fattore di forma e la funzionalità di questi sistemi, diversi circuiti vengono racchiusi a stretto contatto fra loro. Con questi vincoli, la riduzione degli effetti delle interferenze elettromagnetiche (EMI) diventa un aspetto critico nella progettazione del sistema.
La Figura 1 mostra un esempio di un tale sistema multifunzionale, un modulo telecamera per autoveicoli, in cui un sensore ottico da 2 megapixel è posto a stretto contatto con un serializzatore da 4 Gbps e un circuito integrato di gestione dell’alimentazione a quattro canali (PMIC). Un sottoprodotto del conseguente aumento di complessità e densità è il fatto che i circuiti sensibili come il sensore ottico e gli elementi di elaborazione del segnale si trovano molto vicino al PMIC, che porta correnti e tensioni elevate. Questa disposizione porta inevitabilmente a una serie di circuiti con interferenze elettromagnetiche verso la funzionalità degli elementi sensibili, a meno che non si presti molta attenzione durante la progettazione.
Figura 1: Modulo per telecamera automobilistica
L’interferenza elettromagnetica (EMI) può manifestarsi in due modi. Prendiamo ad esempio il caso di una radio collegata alla stessa alimentazione di un trapano a motore, come mostrato in Figura 2. In questo caso, il funzionamento del sistema radio sensibile è influenzato per conduzione dal motore, poiché entrambi condividono la stessa presa di alimentazione. Il motore influisce anche sulla funzionalità della radio attraverso la radiazione elettromagnetica che si accoppia nell’aria e viene captata dall’antenna della radio.
Quando i produttori di apparecchiature finali integrano componenti provenienti da fonti diverse, l’unico modo per garantire che i circuiti interferenti e quelli sensibili possano coesistere e funzionare correttamente è attraverso la definizione di un insieme comune di regole che fissino i limiti per i circuiti interferenti e che i circuiti sensibili devono essere in grado di gestire.
Figura 2: Interferenze elettromagnetiche causate da mezzi condotti e irradiati
Ulteriori informazioni sulle innovazioni che permettono di risparmiare tempo e denaro per la riduzione delle interferenze elettromagnetiche negli alimentatori si trovano nel White paper
Standard EMI comuni
Le regole progettate per limitare le interferenze sono stabilite nelle specifiche standard del settore come CISPR 25 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) per l’industria automobilistica e CISPR 32 per le apparecchiature multimediali. Gli standard CISPR sono fondamentali per i progetti EMI, in quanto determinano le prestazioni obiettivo di qualsiasi tecnica di mitigazione EMI. Gli standard CISPR sono classificati in limiti condotti e irradiati a seconda della modalità di interferenza, come mostrato nella Figura 3. Le barre nei grafici della Figura 3 rappresentano i limiti massimi di emissione condotta e irradiata che il dispositivo in prova può tollerare quando la misura avviene utilizzando apparecchiature di misurazione EMI standard.
Figura 3: Standard tipici per EMI condotta e irradiata
Cause delle EMI
La costruzione di sistemi compatibili con gli standard EMI richiede una chiara comprensione delle cause primarie dell’EMI. Uno dei circuiti più comuni nei moderni sistemi elettronici è l’alimentatore a commutazione (SMPS), che offre miglioramenti sensibili in termini di efficienza rispetto ai regolatori lineari nella maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, questa efficienza ha un prezzo, poiché la commutazione dei transistor ad effetto di campo di potenza nell’SMPS lo rende una delle principali fonti di EMI.
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Come mostrato nella Figura 4, la natura della commutazione nell’SMPS porta a correnti di ingresso discontinue, elevate frequenze dei fronti sui nodi di commutazione e ringing aggiuntivo lungo i fronti di commutazione a causa delle induttanze parassite nel loop di potenza. Mentre le correnti discontinue incidono sulle EMI nelle bande <30 MHz, i fronti veloci del nodo di commutazione e il ringing incidono sullee EMI nelle bande da 30 a 100 MHz e >100 MHz.
Figura 4: Principali fonti di EMI durante il funzionamento di un SMPS
Tecniche convenzionali e avanzate per mitigare le EMI
Nei progetti convenzionali esistono due metodi principali per mitigare le EMI generate dai convertitori a commutazione; entrambi sono correlati ad una penalità. Per gestire le emissioni a bassa frequenza (<30 MHz) e soddisfare le relative normative, l’inserimento di grandi filtri induttore-condensatore passivi all’ingresso dei convertitori di commutazione porta a soluzioni più costose e con minore densità di potenza.
Il rallentamento dei fronti di commutazione per mezzo di un progetto efficace per il driver del gate riduce in genere le emissioni ad alta frequenza. Sebbene questo aiuti a ridurre le interferenze elettromagnetiche nella banda >30 MHz, le ridotte frequenze dei fronti portano a maggiori perdite di commutazione e quindi ad una soluzione a bassa efficienza. In altre parole, esiste un compromesso intrinseco tra densità di potenza ed efficienza per ottenere soluzioni con minori EMI.
Per risolvere questo compromesso e ottenere i vantaggi combinati di alta densità di potenza, alta efficienza e basse EMI, diverse tecniche come mostrato nella Figura 5 sono incluse nei progetti dei convertitori e dei controller di commutazione di TI, come LM25149-Q1, LM5156-Q1 e LM62440-Q1. Queste tecniche, come lo spettro espanso, il filtraggio EMI attivo, gli avvolgimenti di cancellazione, le innovazioni dei package, i condensatori di bypass di ingresso integrati e le metodologie di controllo dello slew rate reale, sono adattate a specifiche bande di frequenza interessanti e sono descritte in modo approfondito nel white paper riportato nel link in alto nonché nei relativi video didattici riportati nei link della sezione delle risorse aggiuntive.
Figura 5: Tecniche incluse nei progetti dei convertitori di potenza e dei controller di TI per ridurre al minimo le EMI
Conclusione
Progettare per ottenere basse EMI può far risparmiare tempo nel ciclo di sviluppo riducendo inoltre l’area della scheda e il costo della soluzione. TI offre molteplici funzionalità e tecnologie per mitigare le interferenze elettromagnetiche. L’utilizzo di una combinazione di tecniche di TI con i dispositivi di gestione dell’alimentazione per ottimizzare le EMI garantisce che i progetti con componenti TI siano conformi agli standard del settore senza troppe modifiche successive. L’obiettivo di queste informazioni e dei relativi contenuti è semplificare il processo di progettazione e consentire alle apparecchiature finali di rispettare i limiti di EMI senza sacrificare la densità di potenza o l’efficienza.
Risorse supplementari
- Visitate la pagina di riferimento per saperne di più sui prodotti TI che utilizzano queste tecnologie di mitigazione, inclusi i regolatori buck-boost e invertenti, gli alimentatori a polarizzazione isolati, i circuiti integrati multicanale (PMIC), i regolatori step-down (buck) e i regolatori step-up (boost).
- Scoprite questa serie completa di video di formazione per saperne di più sulle basi delle EMI, sulle varie tecnologie che possono contribuire a ridurre le emissioni e altro ancora.
- Per un elenco completo delle normative EMI, consultate i white paper «Panoramica delle specifiche per EMI condotte per gli alimentatori» e «Panoramica delle specifiche per EMI irradiate per gli alimentatori».
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