La gestione delle EMI e delle EMC nella regione del GHz e oltre

6th September 2019
Posted By : Alex Lynn
La gestione delle EMI e delle EMC nella regione del GHz e oltre

Le nuove tecnologie di semiconduttori di potenza come SiC e GaN consentono di ottenere una maggiore efficienza e frequenze di commutazione più elevate, e di realizzare componenti di dimensioni inferiori.

Autore: Ono Hiroshi, Responsabile Senior Prodotti Magnetici, KEMET

Tuttavia, questi vantaggi si hanno a scapito di maggiori emissioni elettromagnetiche irradiate, proprio ora che le normative EMC stanno diventando sempre più severe. In che modo gli ingegneri possono minimizzare con efficacia le EMI irradiate?

La conversione di potenza ad alta efficienza e la connettività wireless pervasiva sono due tendenze che possono influenzare profondamente la sostenibilità e gli standard di vita, dal miglioramento della parità di costo delle fonti rinnovabili di energia, fino alla disponibilità in ogni tasca di un dispositivo di comunicazione sempre attivo a prezzi accessibili, per attivare e connettere l'Internet delle cose.

D'altra parte, garantire che le apparecchiature soddisfino le normative sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) costituisce per entrambe una sfida particolarmente ardua. Si prevede che queste ultime funzionino normalmente nell'ambiente di destinazione, pur non interferendo con altri apparecchi nelle vicinanze. Inoltre, la legislazione sulla compatibilità elettromagnetica sta diventando sempre più severa nei principali mercati di tutto il mondo, in quanto i dispositivi RF ad alta velocità e ad alta frequenza stanno affollando l'ambiente elettromagnetico.

Guardando al futuro, ci si aspetta che innovazioni come le auto connesse alzeranno ulteriormente la posta, aggiungendo una dimensione critica per la sicurezza per quanto riguarda i problemi di compatibilità elettromagnetica relativi alle apparecchiature elettriche di tipo consumer di uso quotidiano.

L'effetto legato all’ampio bandgap

Nell’ambito della conversione di potenza, le tecnologie dei semiconduttori ad ampio bandgap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) sono attualmente disponibili in commercio e offrono prestazioni migliori rispetto ai componenti convenzionali su silicio: le perdite di conduzione sono inferiori, le dimensioni dei die e di conseguenza il costo può essere ridotto, la tensione di rottura è superiore, la capacità operativa in temperatura è maggiore e la commutazione più veloce consente di ottenere componenti di livellamento e di disaccoppiamento con dimensioni inferiori.

Tuttavia, sebbene l'aumento delle frequenze di commutazione consenta una maggiore densità di potenza e minori dispersioni di energia, i margini di commutazione dell’ordine dei picosecondi si traducono in armoniche all’interno della regione delle radiofrequenze. Gli slew rate possono essere molto più elevati rispetto ai tradizionali dispositivi su silicio: la tensione di gate deve variare tra i 15V e i -3V per garantire una commutazione affidabile dei dispositivi al SiC, che si confrontano ad ad esempio con gli 0-10V di un MOSFET standard, e inoltre il dV/dt sul transistor può essere elevato, se di utilizza una tensione del DC-link più alta per una maggiore efficienza.

Per una frequenza di commutazione di circa 1MHz, l'ampiezza delle armoniche associate può costituire un problema anche fino a diverse centinaia di MHz. Per poter garantire la conformità alle EMC, è necessario affrontare questi aspetti.

Al contempo, le normative EMC stanno diventando più severe, con l'evoluzione delle applicazioni e delle tendenze d'uso che implicano la necessità di far coesistere sempre più funzionalità l’una in prossimità dell’altra. Si tratta sempre più spesso di dispositivi wireless come terminali mobili, tablet e infrastrutture per l’IoT connessi in rete attraverso interfaccia cellulare, WLAN, PAN, LPWAN o altre tecnologie di rete in diverse bande di frequenza: RF sub-GHz, GSM/CDMA, 2,4 GHz o 5GHz Wi-Fi o Bluetooth® 5 a 2,4 GHz.

L'ultima direttiva EMC dell'Unione Europea, la 2014/30/EU, ne fornisce un buon esempio. I limiti tecnici rivisti richiedono, per garantire la conformità, una riduzione delle emissioni condotte e irradiate e una maggiore immunità e il nuovo quadro legislativo dell'UE pone maggiore enfasi sulla sorveglianza del mercato per identificare e rimuovere dal commercio i prodotti non conformi.

La direttiva EMC 2014/30/EU fa riferimento a una serie di specifiche tecniche, tra cui nuovi documenti come la norma EN 50121-4 per gli apparecchi di segnalazione ferroviaria e la 50121-5 per gli apparecchi elettrici, la EN 55014 per i prodotti elettrici per la casa e gli elettrodomestici e la EN 55022 e la EN 55032 per gli apparecchi informatici e multimediali. Il soddisfacimento di queste specifiche tecniche costituisce un aspetto della garanzia di conformità; l'altro consiste nel mantenimento di una documentazione adeguata.

In Nord America, la Federal Communications Commission (FCC) ha stabilito i requisiti EMC nella propria legislazione di Parte 15. Per le applicazioni industriali e industriali leggere rispettivamente, vengono utilizzati gli standard internazionali IEC 61000-6-3 e IEC 61000-6-4 per l'EMC.

Gestione del rumore dell'alimentazione

La conformità EMC sta diventando quindi sempre più importante, ma più difficile da ottenere, e al contempo i progetti di sistemi di alimentazione stanno spingendo le frequenze di commutazione sempre più in alto con una conseguente produzione di segnali di rumore all’interno o nei pressi delle bande ISM a radiofrequenza.

Storicamente, lo spettro tipico di rumore di commutazione dei convertitori di potenza che contengono dispositivi convenzionali di tipo IGBT o MOSFET al silicio si estende lungo l'intervallo di frequenze che vanno da circa 10kHz a 50MHz. Gran parte di esso si trova all'interno dell'intervallo relativo alle emissioni condotte (da 9kHz a 30MHz), definito dagli standard sul rumore CISPR/CENELEC e FCC.

Il rumore condotto può esistere come rumore di modo differenziale, noto anche come rumore di modo normale o di modo comune, ed è accoppiato tra una sorgente e le linee di alimentazione o di segnale. Il rumore differenziale è prodotto dal funzionamento previsto dell'apparecchiatura e segue il segnale o le linee di alimentazione, mentre il rumore di modo comune è accoppiato tra il segnale o le linee di alimentazione e percorsi di conduzione non intenzionali come le parti del telaio o un collegamento a massa.

Il rumore condotto viene di solito gestito inserendo una linea di alimentazione o un filtro di segnale contenente uno o più condensatori o induttori. In genere, il condensatore gestisce i circuiti ad alta impedenza – che possono essere la sorgente o il carico – mentre per l’interfacciamento con un circuito a bassa impedenza è richiesto un induttore. Se la sorgente e il carico sono entrambi ad alta impedenza, è possibile utilizzare un filtro capacitivo puro o un filtro pi greco per una risposta di frequenza più ripida.

KEMET dispone di filtri EMI/RFI ad accoppiamento diretto, o choke, configurati per attenuare il rumore di modo normale o di modo comune, oltre che di una versione dual-mode che consolida entrambe le funzioni in un unico dispositivo, per offrire risparmi in termini di spazio e di distinta componenti.

Gli organismi standard a livello globale hanno stabilito specifiche per i filtri passivi, come la norma europea EN 60939, basata sullo standard IEC 60939, e i protocolli UL 1283 o MIL-F-15733 che si applicano negli Stati Uniti. I filtri KEMET sono conformi agli standard applicabili e sono disponibili in varie configurazioni, inclusi i filtri monofase o trifase, i componenti con montaggio su chassis, su scheda o a foro passante con valori di corrente che spaziano da meno di 1 Ampère a 2500A. Esistono inoltre filtri speciali per applicazioni quali apparecchiature medicali o sistemi di illuminazione, che devono soddisfare lo standard di emissione di EN 55015 per la commercializzazione all’interno della UE.

Attenuazione del rumore ad alta frequenza

In base agli standard nordamericani ed europei, i segnali di interferenza a frequenze superiori a 30MHz sono classificati come emissioni irradiate. Le principali fonti di radiazioni includono i cavi e le tracce su PCB mal progettate. È sempre consigliabile applicare le migliori pratiche di progettazione, che includono la riduzione delle lunghezze di questi cavi il più possibile e il posizionamento di eventuali tracce che trasportano su scheda coppie di segnali strettamente accoppiati. Tuttavia, in questo modo non è sempre possibile prevenire le criticità EMC, e si rendono quindi necessarie misure aggiuntive per attenuare i segnali di rumore ad alta frequenza.

Fondamentalmente, la strategia per la gestione del rumore irradiato consiste nel convertire l'energia del rumore ad alta frequenza in calore, imponendo perdite magnetiche. Ad esempio, si fa passare un cavo attraverso un nucleo in ferrite per attenuare le EMI irradiate ad alta frequenza. Il nucleo magneticamente permeabile interagisce con il campo magnetico generato dalle correnti di rumore di modo comune a causa dell'autoinduttanza del cavo, e presenta un’impedenza elevata ad alta frequenza. Passando il cavo più volte attraverso il nucleo si aumenta l'attenuazione del rumore a qualsiasi frequenza. Le correnti differenziali e le correnti di segnale a bassa frequenza generano un flusso magnetico di entità minima, e quindi sono soggette a scarsa attenuazione.

KEMET offre una ricca famiglia di core di ferrite, in manganese-zinco (Mn-Zn) e nickel-zinco (Ni-Zn). Le ferriti al Mn-Zn sono dotate di una permeabilità molto elevata alle basse frequenze e sono ampiamente utilizzate per attenuare le frequenze di rumore da 10kHz a circa 50MHz. D'altra parte, le ferriti al Ni-Zn non producono un'elevata impedenza alle basse frequenze e sono più comunemente utilizzate quando la maggior parte del rumore indesiderato è a frequenze superiori a 10-20MHz. Si tratta ovviamente dell’intervallo di frequenze di crescente interesse, a seguito dell'aumento delle frequenze di commutazione dei sistemi di alimentazione che si è registrato con l'avvento delle tecnologie SiC e GaN.

Una soluzione flessibile per la schermatura 

Altre sorgenti di rumore ad alta frequenza, come le tracce su PCB, devono essere gestite in modo diverso, in genere con una schermatura. Uno schermo metallico collegato a massa può essere efficace, ma aggiunge costi e un alloggiamento di piccole dimensioni potrebbe non fornire spazio sufficiente per lo schermo, i suoi fissaggi meccanici e i collegamenti a massa. Se un problema di rumore viene rilevato nelle ultime fasi del progetto, potrebbe non esserci il tempo di progettare un componente di questo tipo.

I materiali di schermatura flessibili realizzati con materiali magnetici ad alta permeabilità (figura 1) possono offrire una soluzione conveniente ed economica. Si tratta di un approccio ampiamente riconosciuto e, in realtà, i metodi per misurare le loro caratteristiche elettromagnetiche sono standardizzati secondo la norma IEC 62333. Questo standard punta a garantire che i produttori di fogli di soppressione evidenzino chiaramente le prestazioni dei loro prodotti e che gli utenti finali possano ottenere risultati confrontabili in casi reali.

Come illustrato nella Figura 1, la composizione dei fogli di soppressione combina le proprietà di assorbimento dell'energia con la flessibilità.

Il Flex Suppressor di KEMET è conforme allo standard IEC 62333 e assicura un'efficace attenuazione delle frequenze oltre 1GHz. Il materiale può essere rifinito allo scopo di ottenere una dimensione e una forma adeguate per proteggere parti specifiche del circuito, come ad esempio uno stadio di commutazione dell’alimentazione, per assorbire le radiazioni o per proteggere da interferenze esterne. Esso può essere fissato all'interno di un alloggiamento, vicino al circuito in questione, o in altre posizioni, ad esempio tra schede strettamente impilate per evitare disturbi. Il materiale può anche essere avvolto intorno ai cavi, per operare in modo simile a una bobina di autoinduzione in ferrite.

Altre applicazioni collaudate includono la protezione dalle ESD, la carica wireless e il miglioramento della portata RFID e il contrasto della desensibilizzazione del ricevitore in dispositivi multi-radio come laptop e cellulari, che impedisce le interferenze riflesse. Flex Suppressor è disponibile con diversi gradi di permeabilità e offre ai progettisti opzioni efficaci per un ampio intervallo di frequenze di rumore. Queste ultime includono la classe standard, con permeabilità relativa pari a 60, e materiali di permeabilità extra-alta pari a 130. È presente anche una variante con permeabilità ultra-bassa di 20 che assicura un'attenuazione del rumore estremamente elevata nell’intervallo di frequenze Wi-Fi e superiori.

Conclusione

Le sorgenti di rumore ad alta frequenza e una legislazione più severa pongono sfide ai progettisti di potenza, i quali cercano di utilizzare semiconduttori a banda larga nei loro progetti più recenti. I nuclei di ferrite e i materiali soppressori ad alta permeabilità si stanno evolvendo per contrastare il rumore irradiato a frequenze fino a 1 GHz e oltre.


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