pag. 7 LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA di Vincenzo Matera pag. 8 UTILIZZO DI SIMULATORI NUMERICI PER LA SOLUZIONE DI PROBLEMI DI COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA di Spartaco Caniggia ed Edoardo Genovese P R O G E T T A R E - D I R I G E R E - C O S T R U I R E - C O L L A U D A R E 5/23
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA articolo degli autori Caniggia e Genovese che pubblichiamo su questo numero conclude il dossier dedicato alla compatibilità elettromagnetica EMC, ovvero alle interferenze elettromagnetiche (EMI) sulle apparecchiature elettriche, gli impianti fissi e a l'automotive. Auspicando di aver perseguito gli obiettivi di questo dossier, cioè di approfondire e diffondere le conoscenze su un argomento forse ancora poco dibattuto ma che tocca svariati ambiti - dalla vita quotidiana, al settore industriale e alle applicazioni automotive, solo per citarne alcuni - rivolgo un ringraziamento agli autori per la preziosa collaborazione e a voi lettori per averci seguito nell itinerante racconto. Questo affascinante argomento sarà nuovamente discusso se perverranno in redazione vostre eventuali segnalazioni o se ci saranno interessanti novità. ELENCO ARTICOLI TRATTATI NEL DOSSIER LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA N. Titolo Autore 3/23 La compatibilità elettromagnetica - Presentazione Vincenzo Matera 3/23 La compatibilità elettromagnetica vista da un utente Federico Bernardi 3/23 Azionamenti elettrici e compatibilità elettromagnetica Sergio Vellante 3/23 L approccio universitario in tema EMC G. Guido Gentili e Sergio Pignari 4/23 La compatibilità elettromagnetica - Presentazione (2 a parte) Vincenzo Matera 4/23 Stato dell arte e prospettive della ricerca applicata Franco Mela in tema EMC sulle apparecchiature elettriche/ e Alessandro Zuccato elettroniche 4/23 Applicazione delle prescrizioni della Direttiva 24/8/CE (EMC) alle apparecchiature e agli impianti fissi. I criteri e le misure pratiche da adottare Vincenzo La Fragola per ottenere la conformità ai requisiti di compatibilità elettromagnetica 5/23 La compatibilità elettromagnetica - Presentazione (3 a parte) Vincenzo Matera 5/23 L evoluzione delle camere anecoiche e semianecoiche Friedrich-Wilhelm e del materiale assorbente RF Trautnitz Traduzione a cura di Domenico Festa 5/23 Aspetti di compatibilità elettromagnetica nelle applicazioni automotive Walter Savio 6/23 La compatibilità elettromagnetica - Presentazione (4 a parte) Vincenzo Matera 6/23 Utilizzo di simulatori numerici per la soluzione Spartaco Caniggia di problemi di compatibilità elettromagnetica ed Edoardo Genovese Vincenzo Matera (Libero professionista e segretario CT 44 presso il CEI in qualità di rappresentante del Collegio dei Periti Industriali e dei Periti Industriali Laureati delle province di Milano e Lodi) PROGETTARE-DIRIGERE-COSTRUIRE-COLLAUDARE 6/23 7
UTILIZZO DI SIMULATORI NUMERICI PER LA SOLUZIONE DI PROBLEMI DI COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA DI SPARTACO CANIGGIA* ED EDOARDO GENOVESE** Approfondire il metodo di prova con l ausilio di adeguati strumenti di calcolo ci agevola già in fase di progettazione e ci accompagna sino ai test finali per ricercare i meccanismi di interferenza e quantificare le regole di progetto 8 PROGETTARE-DIRIGERE-COSTRUIRE-COLLAUDARE 6/23
ntroduzione Con Compatibilità Elettromagnetica (EMC) s intende l abilità di un apparato/sistema a funzionare in modo soddisfacente nel suo ambiente elettromagnetico senza causare disturbi non tollerati. La EMC è regolata da normative che prevedono prove di emissione e immunità. Nell Unione europea chi immette un apparato/sistema nel mercato deve sottoporre il prodotto a tutta una serie di prove regolate da norme armonizzate. Con la nuova Direttiva EMC [] si possono seguire tre metodologie: eseguire tutte le misure, eseguire misure parziali e analisi tecnica, eseguire solo un analisi tecnica dettagliata. Per la seconda e terza metodologia è importante disporre degli strumenti di calcolo che permettono, mediante opportuni modelli, di predire le interferenze elettromagnetiche relative all apparato o parti di esso in esame. Una volta verificata l accuratezza del modello mediante confronto con dati sperimentali o con altri metodi di calcolo, si possono portare, in veste di prova di conformità del prodotto, i valori calcolati in riferimento ai limiti imposti dalla normativa. Gli strumenti di calcolo a disposizione di un utilizzatore si dividono in tre categorie: programmi basati su espressioni matematiche come MathCad o MatLab; programmi di tipo circuitali basati sullo SPICE come PSPICE o MicroCap; programmi numerici basati su diversi metodi di soluzione delle equazioni di Maxwell [2]. In questo articolo descriveremo le principali potenzialità del programma di calcolo numerico CST Microwave Studio [3] nella soluzione di problemi EMC con alcuni esempi. Il simulatore numerico CST Microwave Studio CST Microwave Studio (di seguito abbreviato in MWS) è un software elettromagnetico 3D basato sulla tecnica Finite Integration Technique. In pratica l utente disegna o importa da tool CAD la meccanica della struttura in questione, e il simulatore risolve le equazioni di Maxwell, tenendo conto dei materiali e dell ambiente circostante. Risultati che si ottengono da una simulazione di questo tipo sono: parametri S, tensioni, correnti e campi elettrici e magnetici. Ci sono poi all interno di MWS diversi solver (nel dominio del tempo, della frequenza, eccetera): a seconda del tipo di problema da analizzare l uno o l altro solver sarà più efficiente. Interferenze elettromagnetiche (EMI) nelle PCB Per assicurare la funzionalità di un prodotto ed eventualmente la sua conformità ai requisiti di una o più norme armonizzate EMC, è necessario predisporre sin dall avvio di un progetto un analisi di integrità dei segnali e alimentazioni delle piastre a circuito stampato (PCB). Per integrità dei segnali si intendono tutte quelle azioni necessarie per fare in modo che il segnale, soprattutto digitale, visto dal ricevitore rientri nei requisiti di distor- 9
Circuito Integrato Lead Vcc Die Ground Package Socket Scheda multistrato sione richiesti. I fenomeni elettromagnetici che possono creare distorsioni sono principalmente di tre tipi [2] :. riflessioni lungo il percorso fra il componente pilota e il ricevitore causate da disadattamenti di impedenza ai terminali della pista, discontinuità lungo il percorso come via per il passaggio da una pista da un piano all altro, connettori; 2. diafonia (Crosstalk) causata da accoppiamenti induttivi e capacitivi fra piste vicine; 3. rumori impulsivi sulle masse e alimentazioni di piastre (Delta-I noise) causato dalla commutazione dei componenti digitali. Poiché i fronti di commutazione dei componenti digitali sono pochi ns (nanosecondi) o frazioni di ns, è necessario modellare ogni tratto del percorso da un componente all altro considerando le connessioni all interno dello stesso, nell eventuale socket e in piastra con i via e i connettori. La figura illustra le parti che richiedono di essere modellate. I modelli sono principalmente di due tipi: a parametri concentrati o a parametri distribuiti. Per esempio, i via sono delle discontinuità che si possono modellare con reti R, L, C poiché in genere sono elettricamente corti per la massima Via Mainboard multistrato Condensatore di Bypass Pista di segnale Pista di segnale frequenza di interesse. Un modo efficace di estrazione del modello è quello di confrontare i parametri S calcolati da MWS con quelli calcolati da SPICE [2]. Per le piste invece è richiesto un modello a parametri distribuiti basato sulle linee di trasmissione senza perdite o, per sistemi molto veloci, con perdite in funzione della frequenza [2]. Il rumore impulsivo sulle masse e alimentazione di piastra deve essere minimizzato considerando tutti gli elementi parassiti di tipo induttivo che si incontrano lungo il percorso dal regolatore di tensione (VMR) al Die del componente dove si trovano i circuiti [2]. Una tipica situazione di piastra è illustrata nella figura 2 in cui sono messi in evidenza gli elementi induttivi che creano interfe- Connettore Figura - Esempio di parti di un sistema digitale con componenti richiedenti modelli 6Vdc VMR Z PDN (PCB + IC) Vsource b) L bulk C bulk renze elettromagnetiche (EMI) e i condensatori di filtraggio che si utilizzano per fornire la corrente di commutazione ai componenti e per abbassare l impedenza di alimentazione ZPDN vista dai punti P e G verso la piastra. Il disturbo indotto sull alimentazione di piastra VCC è: V CC =5 or 3.3 V L pcb L pcb L dec C dec IC device impedance V = ZPDN I = ZPDN ( It + Is) dove: It è la corrente di commutazione impulsiva che attraversa il componente; Is è la corrente di segnale richiesta dalla pista con impedenza caratteristica Z. Il disturbo indotto invece sul componente è maggiore perché aumenta la ZPDN totale vista dal Die, dove si trovano i circuiti del componente IC, a causa dei parametri parassiti induttivi associati al package e lead (figura 2 a) e b)). L impedenza ZPDN è di tipo capacitivo in bassa frequenza e di tipo induttivo in alta frequenza. Fra i due limiti ci dovrebbe essere idealmente una zona piatta determinata dai condensatori di filtraggio di piastra e IC (Con-die). Una volta minimizzate le induttanze parassite dell IC con varie soluzioni tecnologiche (SMT, BGA, eccetera), la forma della zona a bassa impedenza dipende molto dal numero e collocamento dei condensatori di filtraggio di piastra. L azione di filtraggio è limitata dalla propria induttanza associata Lbulk (più alta) e Ldec dovuta alle dimensioni fisiche del capacitore e dalla modalità di connessione ai piani di massa. Al di sopra di 3 MHz circa, essi diventano inefficaci e tutta l azione di filtraggio è data dalla capacità fra i due piani di massa e alimentazione che perciò devono essere più vicini possibili per aumentare la capacità intrinseca di piastra a induttanza nulla. A causa delle dimensioni delle piastre di decine di centi- V CC ZPDN (Ω). ΔV L pcb L dec C dec L pcb Ideal Pic ΔI L lead P C ip L pkg C pkg ΔI t Die G a) Real 2 4 6 8 Frequency (Hz) c) L pkg IC Gic L lead C on-die ΔI s Power Ground trace ΔV s =Z ΔI s Figura 2 - Distribuzione di masse e alimentazione in PCB: a) Circuito equivalente con parametri parassiti e condensatori di filtraggio; b) Circuito equivalente di Thevenin; c) Impedenza ZPND in frequenza PDN 2
metri, nella zona ad alta frequenza si hanno dei punti di risonanza che aumentano la ZPDN a valori molto elevati. Questo avviene perché la piastra sollecitata dalla commutazione dei componenti si comporta come una cavità risonante. Questo fenomeno può essere analizzato con accuratezza usando un simulatore numerico come MWS [3]. Un esempio di analisi a scopo didattico è illustrato in figura 3 in cui si distinguono le porte P, P2 e P3 per studiare la propagazione del disturbo in piastra e la posizione di tre condensatori di filtraggio. Solo la porta è attiva con un generatore di corrente ideale di valore A. I parametri di interesse sono l impedenza Z vista dalla porta e le impedenze Z2 e Z3 fra porta e 2 e porta e 3, rispettivamente. Z coincide con l impedenza di piastra ZPDN e le altre due danno indicazioni di come il disturbo che parte dalla porta, dove si immagina un componente commutante, si propaga ad altri componenti localizzati nei punti 2 e 3. In figura 4 sono mostrati i risultati delle simulazioni ottenuti con tre metodi diversi: metodo teorico-matematico della cavità risonante; metodo SPICE che simula la piastra con una rete di elementi circuitali R, L, C, G a parametri circuitali con perdite e il metodo MWS [2]. A questo punto possiamo notare quanto segue: tutti e tre i metodi danno gli stessi risultati per quanto riguarda il calcolo delle risonanze. Le oscillazioni in bassa frequenza di MWS sono dovute al fatto che il calcolo è stato interrotto prima per abbreviare i tempi di analisi; Impedance (Ω) Impedance (Ω). Cavity SPICE.. MWS Z Z 2 with dec f res (,) f res (,) fres (,).... Z with dec a) b) Z 3 with dec. c) d) Figura 4 - Calcolo delle impedenze di piastra: a) alla porta con piastra senza condensatori; b) alla porta con piastra con condensatori; c) fra porte e 2 con condensatori; d) fra porte e 3 con condensatori. Modello cavità (linea continua), SPICE (linea punteggiata), MWS (linea tratteggiata) Impedance (Ω) Impedance (Ω) i condensatori di filtraggio sono efficaci solo al di sotto dei MHz a causa delle induttanze associate; per abbassare la nuova risonanza sopra i MHz causata dalle induttanze dei condensatori di filtraggio è necessario minimizzare queste induttanze e aumentare il numero dei condensatori. Il grosso vantaggio che può offrire MWS in analisi di questo tipo, consiste nel fatto di poter analizzare piastre più complesse con: più piani, partizioni per alimentazioni diverse, isole e tagli [2]. w x C : (w x /8,3w y /4) l cable = 6 cm r cable =. cm (radius) I CM h cable =.5 cm (cable height from the PCI) mω a) cm w y z C 3 : (w x /8,w y /4) x P : I = A (w x /4,w y /4) P 2 : I = A (w x /2,w y /2) 2 C 2 : (w x /2,w y /4) 3 P 3 : I= A (3w x /4, w y /4) Figura 3 - PCB con due piani paralleli modellata con MWS. Locazione delle porte (P) e dei condensatori di filtraggio w z 6 4 2 Common-mode current I CM (μa) -2-4 -6-8 Radiated E-field (db μv/m) 2 4 6 8-2 4 6 8 b) Analytical c) Analytical Numerical Numerical Analytical (Cable only) Analytical (PCB only) Figura 5 - Piastra con cavo collegato: a) Struttura della PCB; b) Corrente di modo comune ICM calcolata; c) Campo radiato E calcolato a 3 m 2
Digital oscilloscope ESD gun d 5 Ω Loop 5 coaxial cable Figura 6 - Setup di prova per la misura del campo radiato da scarica elettrostatica MWS e analiticamente. Si nota come tutti e due i metodi evidenziano un picco di risonanza vicino ai 2 MHz, causato dalla emissione del solo cavo come mostra il metodo analitico. Una volta validato il modello di base fatto con MWS, si possono analizzare strutture più complesse di piastra come tagli sotto la linea di segnale, filtri EMI e piastre inserite dentro contenitori schermati con aperture [2]. In questo modo, abbiamo il grande vantaggio di quantificare i benefici apportati da varie soluzioni dettate dalla pratica senza ricorrere a misure in laboratorio. Emissioni radiate da PCB con cavi collegati Le emissioni radiate da sistemi digitali sono dovute alle piastre e ai cavi a esse collegate. La predizione delle emissioni a 3 o m, come richiesto dalle normative, è molto difficile a causa delle correnti di modo comune, che si distinguono da quelle di segnale, perché si richiudono attraverso l ambiente come correnti di spostamento. In una tipica configurazione di piastra con pista che collega un componente all altro e con cavo connesso, abbiamo due tipi di emissione: dalla pista vista come linea di trasmissione (emissione di modo differenziale) e dal cavo (emissione di modo comune). La figura 5 a) mostra una situazione di questo tipo modellata con MWS [2]. Il cavo è simulato con un conduttore connesso alla massa della piastra mediante una resistenza di mω. La pista è simulata con un conduttore terminato da una parte con un generatore di corrente di A che simula un componente pilota e dall altra parte con una resistenza di Ω. La figura 5 b) mostra la corrente di modo comune ICM calcolata analiticamente modellando il cavo come linea di trasmissione eccitata da un generatore di tensione di valore pari al prodotto fra la corrente di segnale che torna attraverso la massa e l induttanza associata alla massa di qualche nh poiché la massa ha dimensioni finite [2]. La figura 5 c) mostra il campo radiato calcolato a 3 m da 25 2 5 5 Measured (solid) 25 2.5 Spice (dash) MWS (dadot) 8 28 38 Standard IEC (dot) 4 8 ns 2 6 2 Figura 7 - Corrente di scarica ESD misurata e calcolata con tensione di 5 KV Immunità da fenomeni transitori Il metodo numerico, insieme allo SPICE, può simulare molto bene anche fenomeni di interferenza dovuti a transitori come ESD, EFT e SURGE. A titolo di esempio si riporta il caso delle scariche elettrostatiche che sono molto pericolose per gli apparati a causa delle correnti indotte 3 cm Loop Gap which forms the E-field shield 5 Ω lumped element Figura 8 - Modello MWS del setup di prova per campo radiato da ESD Shielded box e campi radiati. La figura 6 illustra il caso di una scarica elettrostatica eseguita su un contenitore schermato e la misura del campo radiato a una certa distanza fatta con sonda di campo magnetico collegata a un oscilloscopio messo all interno del contenitore schermato. La forma della corrente di scarica nel punto di contatto ha la forma riportata in figura 7 in cui misure, simulazioni ed espressione matematica della corrente di scarica sono messe a confronto. Il setup di prova della figura 6 è stato modellato con MWS come riportato in figura 8. La pistola commerciale ESD, simulata con i suoi circuiti equivalenti e struttura fisica 3D, è collegata al piano di massa mediante conduttore rettangolare con forma, come indicato in figura. Il loop chiuso su 5 Ω è modellato dettagliatamente considerando anche lo schermo per campi elettrici come mostrato in figura 8. y x 22
ESD gun is charged to 5KV 4,5 2 Volt -,5 Volt -2 - d = 45 cm -4 d = 5 cm -,5-6 -2-8 2 3 4 2 3 4 ns ns Figura 9 - Tensione indotta su loop di 3 cm calcolata e misurata. Misurata (linea continua); calcolata (linea punteggiata) La tensione indotta sul carico di 5 Ω calcolata e misurata è mostrata in figura 9 per due distanze loop-corrente di scarica. Si può notare il buon accordo fra misure e simulazioni nonostante che con MWS si siano dovuti modellare dettagliatamente oggetti molto grandi (contenitore schermato e pistola ESD) e oggetti molto piccoli (loop di 3 cm). Dalla conoscenza della funzione di trasferimento del loop (misure o simulazione), si può calcolare il campo H all interno del loop [4]. Una volta verificato il modello, si può procedere a simulare situazioni diverse di interferenza senza ricorrere ancora alle misure. Conclusioni Lo stato dell arte raggiunto dai simulatori numerici 3D in questi ultimi anni è notevole. L articolo riporta alcuni esempi fatti con MWS della CST riguardanti l integrità del segnale digitale, l emissione radiata da cavo collegato a PCB e l interferenza radiata da ESD. Molti altri se ne possono fare (vedi [2] e articoli pubblicati ai vari congressi e dalla IEEE) riguardanti l integrità del segnale/alimentazione nelle PCB e le interferenze causate da disturbi condotti e radiati su piastre e apparati. Strutture che qualche anno fa potevano essere solo studiate in laboratorio, anche con difficoltà di tipo pratico, ora possono essere simulate con dettagli significativi per investigare i meccanismi di interferenza e quantificare le relative regole di progetto elettromagnetico. Ultima considerazione: ora molti simulatori 3D, con opzione 2D per velocizzare il calcolo per alcune strutture di PCB e cavi, offrono anche la possibilità di un integrazione con simulatori circuitali basati sullo SPICE dove la struttura 2/3D diventa un circuito equivalente con N ingressi e uscite. In questo modo si possono utilizzare anche i modelli comportamentali dei circuiti integrati (IBIS) per simulare strutture complesse direttamente nel dominio del tempo, CST è un esempio. Bibliografia [] Direttiva 24/8/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 5/2/24 [2] S. Caniggia, F. Maradei, Signal integrity and radiated emission of highspeed digital systems, 28 John Wiley & Sons Ltd. [3] www.cst.com [4] S. Caniggia, F. Maradei, Numerical Prediction and Measurement of ESD Radiated Fields by Free-Space Field Sensors, IEEE transaction on EMC, August 27 * Consulente di Signal Integrity ed EMC, Esperto del Sotto-Comitato Tecnico CEI 2/77B ** Sales and Applications Engineer, CST AG 23