Compatibilità Elettromagnetica Industriale

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1 Compatibilità Elettromagnetica Industriale Antonio Maffucci Università degli Studi di Cassino e del azio Meridionale maffucci@unicas.it 1/44

2 Cross-talk (diafonia) Accoppiamento elettromagnetico indesiderato tra canali di uno stesso sistema multiconduttore a presenza di diafonia può peggiorare le prestazioni di un sistema, anche in termini di emissioni e suscettività irradiate e condotte 2/44

3 Cross-talk: problema tipo Circuito aggressore Circuito vittima XT: near-end crosstalk FEXT: far-end crosstalk 3/44

4 Cross-talk elettrico e magnetico Mutua Capacità, Cm Mutua Induttanza, m Zo far Zo Zo Zo far Cm m Zs Zo near Zs Zo near Il crosstalk può essere legato ad accoppiamento elettrico (mutua capacità), magnetico (mutua induttanza) o ad entrambi. 4/44

5 Cross-talk: problema tipo s S v vfe FE s FE S Circuito aggressore: circuito alimentato Circuito vittima: circuito a riposo 5/44

6 Definizione del rumore di diafonia s S v vfe FE a sorgente s produce sul circuito sorgente una tensione ed una corrente. Il campo interagisce con il circuito vittima e induce correnti e tensioni non nulle. Obiettivo: stimare XT e FEXT:, FE 6/44

7 Capacità mutua: definizione, 2 Q 1, #2 1 #1 C 1G C m Q 2 C 2G Q Q C 1 2 ( C C C 1G m 1G C C 1 C m m ( C m ) 1 2G C C C C 2G m m m 2 ) C Esempio: microstrip m 2 - Q 1 - Q 2 Campo E, modo differenziale 7/44

8 Induttanza mutua: definizione Φ 12 I 2 I #2 1 #1 Φ 11 Φ 22 Φ Φ m I I 1 1 m I Esempio: microstrip 2 I 2 - I 1 - I 2 Campo B, modo differenziale 8/44

9 Stima del Crosstalk: Modello per linee elettricamente corte inee elettricamente corte: l << λ inee debolmente accoppiate: m << 1 Sovrapposizione degli effetti induttivi e capacitivi: 1 2 C m C C 1 2 << 1 s I G EQ S G v I EQ vfe FE 9/44

10 Stima del Crosstalk: Modello per linee elettricamente corte I EQ EQ jω jωc m m I G G DC DC I G G DC DC S S S S s I G EQ S G v I EQ vfe FE 10/44

11 Accoppiamento induttivo e capacitivo S FE S jω( M jω( M IND IND M M CAP ) CAP ) M M IND CAP FE FE FE S S m C m EQ IND M CAP M, v I EQ vfe FE sono indici della diafonia 11/44

12 Differenza tra XT e FEXT Zo Zo far S FE S Zo jω( M jω( M IND IND Zo far M M CAP ) CAP ) I Cm m I m Zs Zo near Zs Zo near I near I Cm I m I far I Cm I m 12/44

13 Andamento in frequenza dell accoppiamento, carico a bassa impedenza: << s M M IND CAP FE FE FE S S m Cm, S FE S totale indutt. capac. f domina l accoppiamento induttivo 13/44

14 Andamento in frequenza dell accoppiamento, carico ad alta impedenza: >> s M M IND CAP FE FE FE S S m Cm, S FE S totale capac. indutt. f domina l accoppiamento capacitivo 14/44

15 Stima del Crosstalk: Modello per linee elettricamente lunghe l λ oppure l >> λ s S v FE vfe e interconnessioni vanno modellate come linee di trasmissione multiconduttore 15/44

16 Stima del Crosstalk: Modello per linee elettricamente lunghe x0 1 2 n 0 i (x,t) 1 v (x,t) 1 i (x,t) 2 v (x,t) 2 i (x,t) n v (x,t) n xd x v x i x d dx di dx ( x, t) i( x, t) ( x, t) v( x, t) ( x, ω) ( x, ω) C Y Z t t ( x, ω) I( x, ω) ( x, ω) ( x, ω) Modello a linea di trasmissione multiconduttore linee ideali (dominio del tempo) linee non ideali (dominio della frequenza) 16/44

17 Derivazione di un multiporte equivalente s S IA DI TASMIS. MUTIC. FE 1 linea 2 d dz di dz ( z, ω) ( z, ω) Y Z ( z, ω) I( z, ω) ( z, ω) ( z, ω) multiporte 17/44

18 Esempio: crosstalk in cavi per applicazioni automotive particolarmente sensibili alla diafonia e ai campi esterni 18/44

19 Definizione del problema coppia di cavi in prossimità di una massa metallica problema di riferimento s S v vfe FE 19/44

20 Modello distribuito C C 11 m 11 m nh/m 21.7 nh/m C pf/m 6.4 pf/m G diag(0.524 Ω/m) diag(0.905 ms/m) Z 0 50 Ω 20/44

21 Stima della diafonia: dominio del tempo linea ideale, adattata, lunghezza 10 m driver: rise-time di 1 ns th - th la diafonia induce un segnale confrontabile con la soglia di switching! 21/44

22 Stima della diafonia: dominio del tempo linea con perdite, adattata, lunghezza 10 m Ideale reale th - th e perdite non riducono significativamente la diafonia! 22/44

23 Stima della diafonia - frequenza confronto tra modello distribuito e modello semplificato EQ v I EQ vfe FE linee elettricamente lunghe linee elettricamente corte 23/44

24 Stima della diafonia - frequenza FE FE-approx. -approx. accordo ottimo fino a 1 MHz linea adattata, l 10 m [Hz] confronto tra modello distribuito e modello semplificato 24/44

25 Stima della diafonia - frequenza FE FE-approx. -approx. accordo ottimo fino a 3 MHz linea adattata, l 3 m [Hz] confronto tra modello distribuito e modello semplificato 25/44

26 Stima della diafonia - frequenza disadattato adattato Tensione FE: confronto tra carico adattato e disadattato FE 0.1Z 0 26/44

27 Tecniche per la riduzione del crosstalk nei cavi 27/44

28 iduzione della diafonia: schermatura del circuito vittima s S v vfe FE 28/44

29 Analisi col modello semplificato: accoppiamento capacitivo S s v G C GS v v SH FE vfe C S CGS CS vg v SH // FE CAP CAP FE 29/44

30 Analisi dell accoppiamento capacitivo CGS CS vg v SH // FE CAP CAP FE CAP CAP FE M CAP S jω FE FE S C m S C m C C S S C C GS GS C GS M CAP SH M CAP solitamente C S >> C GS accoppiamento immutato! 30/44

31 Messa a massa dello schermo S s v G C GS v FE vfe C S CGS CS CAP M SH 0 vg // FE CAP CAP FE lo schermo ha effetto solo se collegato a massa! 31/44

32 Analisi col modello semplificato: accoppiamento induttivo s S FE occorre collegare al riferimento le due estremità e consentire lo scorrimento di una corrente che produce un flusso opposto a quello responsabile dell accoppiamento induttivo 32/44

33 Analisi dell accoppiamento induttivo IND IND FE M IND SH SH jω SH S IND, IND FE senza 20 db/decade 0 db/decade con effetto dello schermo 2π SH SH f 33/44

34 Problema della messa a massa s S FE 0.1λ per linee elettricamente lunghe non bastano i collegamenti alle estremità dello schermo a garantire l equipotenzialità! indicazione: collegare al riferimento ogni λ / 10 34/44

35 iduzione dell accoppiamento induttivo: si sostituisce il filo del circuito ricevitore con una coppia di conduttori intrecciati, di cui uno è utilizzato come ritorno I G B - l accoppiamento induttivo si riduce sempre - l accoppiamento capacitivo si riduce solo per carichi bilanciati 35/44

36 Applicazioni tipiche: UTP (unshielded twisted-pairs) cavi ADS ed Ethernet distribuzione della corrente in alta frequenza 36/44

37 Cavi twistati 37/44

38 Schema elettrico equivalente: serie di spire di corrente di dimensione s I G B E 1 E 1 E 1 E 1 E 2 E 2 E 2 E 2 s 38/44

39 Cavi intrecciati: schema equivalente Schema elettrico equivalente: serie di spire di corrente di dimensione s E 1 E 1 E 1 E 1 E 2 E 2 E 2 E 2 s Due spire adiacenti danno contributi opposti, quindi tendono a cancellarsi Numero di spire pari: l accoppiamento induttivo si annulla Numero di spire dispari: l accoppiamento induttivo è prodotto da una sola spira 39/44

40 iduzione dell accoppiamento capacitivo I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 e correnti I 1 e I 2 portano in conto l accoppiamento capacitivo tra conduttori accoppiamento capacitivo si cancella solo se le correnti I 1 bilanciano le I 2 Questa condizione si verifica solo per carichi bilanciati 40/44

41 iduzione dell accoppiamento capacitivo: Carichi sbilanciati FE I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 e correnti I 2 non scorrono sulle resistenze Gli effetti delle correnti I 1 non possono essere bilanciati da quelli delle I 2 41/44

42 iduzione dell accoppiamento capacitivo: Carichi bilanciati FE I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 I 2 I 1 e correnti dei generatori di due spire contigue scorrono sui carichi in verso opposto. Gli effetti delle correnti si cancellano perfettamente Il bilanciamento non riduce significativamente l effetto di accoppiamento induttivo, quindi è utile solo quando l accoppiamento è prevalentemente capacitivo (carichi ad elevata impedenza) 42/44

43 Schermatura per circuiti elettronici: tracce di guardia outing dei segnali (tracce di guardia) Quando non è possibile distanziare sufficientemente le piste, l interposizione di tracce di guardia ha un effetto schermante 43/44

44 Twisting nei circuiti elettronici: serpentine p S e serpentine, usate per l equalizzazione delle linee, hanno un effetto benefico di riduzione del coupling induttivo, in analogia con il twisting 44/44