Nel Capitolo 3 sono state descritte le metodologie utilizzate per la progettazione e realizzazione di PCB (Printed Circuit Board – schede a circuito stampato) al fine di minimizzare i problemi EMC e di integrità del segnale. In questo ambito sono state analizzate le principali problematiche (loop di corrente, interferenze, fenomeni di accoppiamento) e le relative tecniche di mitigazione (piani di massa, grounding, decoupling) dei conseguenti effetti (crosstalk, emissioni ed interferenze elettromagnetiche). In particolare, è stato approfondito il tema del grounding, ovvero della gestione dei piani di massa e di alimentazione (ground/power plane) illustrando le differenze tra le due principali strategie di gestione: split plane (separazione dei piani) e partitioning (partizione ideale). I due principi di funzionamento sono illustrati in Fig. 5.1.
Fig. 5.1: Tecniche di grounding a confronto: a) split plane; b) partitioning
Nel primo caso (split plane), al fine di isolare tra loro la circuiteria analogica e quella digitale che condividono lo stesso piano di ground, il piano stesso viene suddiviso fisicamente in due sezioni: analogica e digitale. Nella tecnica detta partitioning invece, la separazione tra le due sezioni non è fisica ma puramente ideale; l’isolamento desiderato si ottiene posizionando i componenti ed eseguendo il routing in modo appropriato confinando le due sezioni in regioni diverse e lontane tra loro.
Per poter compiere un confronto tra le suddette tecniche di grounding sono state appositamente progettate e realizzate delle schede di acquisizione misure, sulle quali è stato poi possibile eseguire delle prove di compatibilità elettromagnetica, al fine di verificare sperimentalmente la validità delle due metodologie proposte.
Le schede elettroniche in questione sono state progettate nell’ottica di un loro utilizzo nel campo degli azionamenti elettrici, ed in particolare per la gestione delle misure
di un generico convertitore elettronico di potenza. Nel Capitolo 1 sono state analizzate le architetture di controllo di tipo distribuito per i sistemi di automazione; è stato sottolineato come, a causa degli elevati gradienti di tensione e corrente durante le commutazioni, la sezione di potenza può disturbare il funzionamento del sistema di controllo. Per questo motivo si opera di solito un controllo di tipo remoto; il sistema di acquisizione misure è stato così implementato tramite due schede: una (PCB_A) per l’acquisizione delle misure (lato convertitore) ed una (PCB_B) utilizzata come interfaccia verso il controllore. In Fig. 5.2 è mostrato lo schema a blocchi funzionale semplificato del sistema di acquisizione misure che è stato quindi realizzato.
Fig. 5.2: Schema a blocchi funzionale semplificato del sistema di acquisizione misure
Le uscite dei trasduttori di misura vengono opportunamente amplificate, filtrate e digitalizzate nella scheda PCB_A; questi segnali di misura devono poi essere trasmessi alla scheda PCB_B che li trasferisce al controllore. Al fine di minimizzare il numero dei segnali trasmessi (e quindi dei cavi di collegamento), migliorando così l’affidabilità dell’intero sistema, tra le due interfacce (misura e controllo) sono stati aggiunte due coppie Serializzatore/Deserializzatore. Si tratta di dispositivi che serializzano il flusso di dati in trasmissione e li deserializzano in ricezione, ricavando i dati di partenza. Con un fattore di compressione 10, la frequenza dei dati paralleli (10 – 40 MHz) viene trasformata in una frequenza utile dei dati seriali compresa tra 100 e 400 Mbps. Questi componenti inoltre, gestiscono la trasmissione di segnali LVDS (Low Voltage Differential Signal), ossia di tipo differenziale, migliorando così le prestazioni EMC del sistema di comunicazione. Una frequenza di trasmissione seriale molto elevata implica problemi legati all’affidabilità del sistema ed alla sua capacità di generare e/o di essere immune a disturbi EM. E’ stato scelto di utilizzare due tipi di trasmissione: di tipo elettrico (via cavo) con l’utilizzo di cavi twistati (intrecciati) o tramite fibra ottica; la scelta della tipologia di collegamento da utilizzare dipende da diversi parametri, primo dei quali è la distanza da percorrere.
Seguendo le metodologie descritte nel Capitolo 3, sono stati realizzati i layout delle due schede elettroniche. In Fig. 5.3a è mostrata una foto della realizzazione prototipale delle due schede, mentre in Fig. 5.3b è illustrato il layout di una delle due schede.
Fig. 5.3: a) Realizzazione delle schede; b) layout delle PCB
Per poter implementare sullo stesso supporto entrambe le tecniche di grounding analizzate, è stato utilizzato un semplice artificio. Il piano di massa del sistema è stato suddiviso fisicamente in sezioni (analogica e digitale) implementando così la tecnica dello split plane. Sono state poi predisposte delle resistenze da 0 Ω (che fungono da jumper e che sono evidenziate in Fig. 5.3b attraverso dei cerchietti blu) posizionate a cavallo delle fenditure che rappresentano la separazione dei piani; nel caso dello split plane queste resistenze non vengono saldate. E’ possibile quindi passare alla configurazione partitioning semplicemente saldando queste resistenze; esse infatti, se poste con una sufficiente spaziatura tra di loro, mettono in comunicazione i due piani cortocircuitandoli, simulando così la presenza di un unico piano di massa.
Per valutare sperimentalmente le prestazioni esibite dalle due strategie di grounding, sono state effettuate, in camera semianecoica, delle prove di emissione irradiata nel range di frequenza tra 30 MHz e 1 GHz, in accordo con il set-up di prova e le procedure prescritte dalla CEI EN 55022 (apparati ITE) e descritte in precedenza. Vengono qui di seguito riportati i più significativi risultati sperimentali.
In Fig. 5.4a (a sinistra) e 5.4b (a destra) sono mostrate le emissioni irradiate dalle schede nella configurazione partitioning, rispettivamente per una polarizzazione verticale ed orizzontale dell’antenna, nel range 30 MHz – 300 MHz.
Fig. 5.4: Emissioni irradiate – tecnica partitioning – 30 MHz ÷ 300 MHz: a) polarizzazione verticale; b) polarizzazione orizzontale
Questo spettro di emissione irradiata va confrontato con quello corrispondente alla tecnica split plane, mostrato nelle Fig. 5.5a (polarizzazione verticale) e 5.5b (polarizzazione orizzontale) ed ottenuto nelle stesse condizioni operative del caso precedente.
Fig. 5.5: Emissioni irradiate – tecnica split plane – 30 MHz ÷ 300 MHz: a) polarizzazione verticale; b) polarizzazione orizzontale
In Fig. 5.6a (a sinistra) e 5.6b (a destra) sono mostrate le emissioni irradiate dalle schede nella configurazione partitioning, rispettivamente per una polarizzazione verticale ed orizzontale dell’antenna, nel range 200 MHz – 1 GHz.
Fig. 5.6: Emissioni irradiate – tecnica partitioning – 200 MHz ÷ 1 GHz: a) polarizzazione verticale; b) polarizzazione orizzontale
Questo spettro di emissione irradiata va confrontato con quello corrispondente alla tecnica split plane, mostrato nelle Fig. 5.7a (polarizzazione verticale) e 5.7b
(polarizzazione orizzontale) ed ottenuto nelle stesse condizioni operative del caso precedente.
Fig. 5.7: Emissioni irradiate – tecnica split plane – 200 MHz ÷ 1 GHz: a) polarizzazione verticale; b) polarizzazione orizzontale
Sulle schede elettroniche che implementano le diverse strategie di grounding sono state effettuate anche delle prove di emissione condotta, e quindi a bassa frequenza (150 kHz - 30 MHz); i relativi risultati sperimentali per il confronto delle due metodologie proposte per la gestione del piano di massa non vengono qui mostrati perchè poco significativi.
Tutte le prove (emissione irradiata e condotta) sono state eseguite utilizzando due frequenze di trasmissione parallela: 10 MHz (che corrisponde ad una frequenza seriale di 100 Mbps) e 40 MHz (corrispondente a 400 Mbps di frequenza seriale), ovvero i due valori limite consentiti dai dispositivi Ser/Des utilizzati.
Nelle prove di emissione condotta, al variare della frequenza di trasmissione variano le ampiezze dei contributi della frequenza fondamentale e delle sue armoniche; variando la tecnica di grounding invece, non sono state rilevate differenze nello spettro di emissione condotta.
Per quanto riguarda i risultati sperimentali delle prove di emissione irradiata, implementando la tecnica split plane si ottiene una lieve riduzione del disturbo irradiato emesso, rispetto al caso della tecnica partitioning, come si può evincere dal confronto delle figure mostrate.
E’ difficile a questo punto trarre delle conclusioni sui risultati ottenuti, per giustificare la scelta di una particolare strategia di grounding, in quanto la differenza tra i due casi non è risultata significativa in nessuna condizione operativa in cui sono state eseguite le prove di emissione. La scelta della metodologia da utilizzare dipenderà quindi essenzialmente dalle caratteristiche dell’ambiente EM in cui si opera e dalle caratteristiche dei dispositivi utilizzati, ovvero dalla loro capacità di essere immuni e/o di generare disturbi EM. Infatti, se le frequenze in gioco non sono eccessivamente elevate ed inoltre i
problemi EMC non sembrano essere così rilevanti, la bassa riduzione ottenuta con lo split plane non ne giustifica la scelta. D’altro canto, se le schede devono lavorare in un ambiente elettromagneticamente rumoroso ed inoltre contengono dispositivi particolarmente rumorosi e/o sensibili ai disturbi EM, la tecnica dello split plane rappresenta la strategia di grounding migliore. Infatti in questo caso, con un isolamento fisico tra sezione analogica (maggiormente sensibile al rumore) e sezione digitale (principale sorgente di rumore) si ottiene sicuramente una riduzione delle emissioni ed anche una piccola riduzione delle emissioni può consentire all’EUT (costituito dalle schede elettroniche) di superare i test di conformità alle normative di interesse.