Partitioning

Prima di proseguire, approfondiamo le caratteristiche delle correnti digitali ad alta frequenza (HF: High Frequency); queste tendono a tornare verso la sorgente su un piano (di power o di ground) direttamente sotto la traccia perché questo è il percorso a più bassa impedenza (e induttanza) che produce la più piccola area di loop possibile. La corrente si allargherà leggermente nel piano, ma starà per lo più sotto la traccia; in Fig. 3.38 è illustrata la distribuzione della corrente di ground sotto la traccia di un segnale digitale.

Sull’asse delle ordinate abbiamo la percentuale della corrente di ritorno J(x)/J(0) contenuta in una distanza di ± x/h dal centro della traccia, dove x è la distanza orizzontale dal centro della traccia ed h è l’altezza della traccia rispetto al piano. Da questo possiamo concludere che le correnti digitali di ground non intendono fluire attraverso la porzione analogica del ground plane e corrompere così i segnali analogici.

Fig. 3.38: Distribuzione della corrente di ground sotto una traccia di segnale digitale

La Fig. 3.39 mostra una traccia di segnale digitale e una rappresentazione del suo relativo percorso di ground.

Fig. 3.39: Traccia di segnale digitale e suo percorso di ritorno in una PCB con split plane

Se la corrente non ha alcuna intenzione di scorrere nella porzione analogica del ground plane, allora non c’è ragione di dividere il piano di ground per prevenire che la corrente digitale faccia una cosa che comunque non farebbe. Un'altra tecnica di gestione del grounding prevede infatti l’uso di un unico piano di ground con la partizione “ideale” (e non la separazione fisica) della PCB in due sezioni di routing: i segnali analogici devono essere tracciati solo nella sezione analogica (su tutti i layer) e i segnali digitali devono essere tracciati solo nella sezione digitale (su tutti i layer). Sotto queste condizioni le correnti digitali di ritorno non scorreranno nella sezione analogica del piano di massa ma rimarranno sotto la traccia digitale, come mostrato in Fig. 3.40.

Fig. 3.40: Traccia digitale e relativa corrente di ground in una PCB mixed-signal con partizione della scheda

Mettendo a confronto le ultime due figure, possiamo notare che la corrente digitale di ground segue lo stesso percorso indipendentemente dalla divisione fisica del piano di massa; i problemi nascono infatti quando, come mostrato in Fig. 3.41, un segnale digitale viene tracciato nella sezione analogica (o viceversa un segnale analogico nella sezione digitale).

Fig. 3.41: Routing inopportuno di una traccia digitale

In questo caso infatti le correnti di ground digitale scorrono nella sezione analogica della scheda; il problema non è causato dal non aver suddiviso fisicamente il ground plane, ma dall’erroneo tracciamento di un segnale digitale. Una PCB con un singolo piano di massa, ripartito in sezioni analogica e digitale, insieme ad una disciplina nel tracciare i segnali consente di solito di risolvere i problemi legati al layout, senza creare gli ulteriori problemi causati dalla separazione fisica dei due ground. Il posizionamento dei componenti e la partizione della scheda sono quindi elementi critici per un buon layout; se il layout è fatto in modo corretto, le correnti digitali di ground rimangono nella sezione digitale della scheda e non interferiscono con i segnali analogici. Il routing deve comunque essere controllato molto attentamente; basta una sola traccia realizzata in modo improprio per danneggiare un layout altrimenti perfetto.

Per un confronto tra le due tecniche di grounding (split plane e patitioning) si rimanda al Capitolo 5 relativo alla sperimentazione EMC effettuata. Sono stati infatti necessari degli approfondimenti sulle normative EMC e sui relativi set-up di prova.

Prove di Compatibilità Elettromagnetica

4.1 Introduzione

Le misure di compatibilità elettromagnetica consentono di definire e valutare i livelli dei disturbi EM (condotti ed irradiati) emessi da un apparato elettrico/elettronico (sorgente EM) e di stabilire la sua suscettività a disturbi EM (condotti ed irradiati) esterni (vittima EM). E’ possibile inoltre, tramite test EMC, valutare l’efficienza di schermatura di cavi, pareti metalliche o strutture e determinare le prestazioni di filtri EMI e dispositivi di protezione.

Sarà ora brevemente analizzata la procedura da utilizzare per l’esecuzione di prove EMC su un qualsiasi apparato elettrico/elettronico.

Per poter condurre un’analisi EMC di un qualsiasi apparato o sistema complesso, è necessario uno studio preliminare dell’oggetto in prova (nel seguito definito con l’acronimo EUT: Equipment Under Test) che metta in luce le caratteristiche del sistema in termini di livelli di corrente e tensione, frequenze di funzionamento e ambiente in cui l’EUT dovrà lavorare. L’analisi tecnica dell’EUT consente di definire in modo opportuno il sistema in prova ed i suoi principali sottoinsiemi, nonché tutte le interfacce (di potenza e di segnale) da considerare.

Il passo successivo è l’inquadramento dell’EUT in ambito normativo. Partendo da specifiche norme generiche e di prodotto (armonizzate o meno) che tengono in conto la particolare tipologia dell’apparato e del suo ambiente EM tipico, si giunge all’individuazione delle norme di base che consentono una caratterizzazione EMC completa dell’oggetto in prova. Le norme di base, a loro volta, descrivono il sito e le configurazioni di prova (set-up), la strumentazione necessaria e le sue caratteristiche principali ed infine le metodologie di prova.

Durante questa fase è importante definire anche quello che è considerato il target delle prove. Se infatti si stanno effettuando delle prove per la verifica della conformità (compliance) dell’EUT a determinate norme di interesse (individuate al passo precedente),

dovranno necessariamente essere seguite alla lettera tutte le indicazioni stabilite dalle norme stesse. Se invece l’obiettivo è la valutazione delle prestazioni EMC di un oggetto che non necessariamente deve essere conforme alle normative vigenti, si effettuano le cosiddette prove di pre-compliance, molto utili soprattutto in fase di progetto; in questo caso la perfetta corrispondenza con le norme di riferimento non è così restrittiva come nel caso precedente.

Dopo aver individuato le norme di riferimento, si procede alla predisposizione del sito di prova, della strumentazione (calibrazione degli strumenti utilizzati) e dell’EUT (posizionamento degli oggetti e disposizione dei cavi e degli apparati di misura). Si determinano quindi una procedura ed un piano di prova, secondo quanto stabilito dalle norme e secondo gli obiettivi delle prove stesse; in questa fase si stabiliscono il numero e la tipologia delle prove da effettuare, i parametri da modificare ad ogni passo e l’ordine con cui effettuare i diversi test.

L’ultimo passo è rappresentato dall’esecuzione delle prove EMC, dalla raccolta dei risultati sperimentali ottenuti e dalla successiva formalizzazione dei risultati in appositi rapporti (come richiesto dalle norme di riferimento). Anche la stesura dei rapporti riveste un ruolo importante (fondamentale nel caso di prove di conformità) perchè sia le condizioni in cui sono state eseguite le prove sia i relativi risultati devono essere descritti in modo corretto ed univocamente interpretabile (senza lasciare spazio ad alcuna ambiguità).