Compatibilità Elettromagnetica nei sistemi elettronici:
Collaudo e Certificazione
(con particolare riferimento ad EMI)

Introduzione

Esistono innumerevoli esempi di interferenza elettromagnetica (EMI), che vanno dal ricorrente allo straordinario, come del resto gli effetti da essi provocati , che possono arrivare anche al catastrofico [1].
Gli effetti delle EMI qualche volta hanno valenza relativa, quale ad esempio la distorsione della ricezione radio-televisiva, ma possono avere effetti secondari anche disastrosi attraverso il guasto del prodotto. La mancanza di compatibilità tra i prodotti ed il relativo ambiente elettromagnetico stà diventando un problema serio, e lo sarà sempre più con l'espansione dell'uso delle telecomunicazioni mobili e dei dispositivi che incorporano controlli a microprocessori.
Le interferenze elettromagnetiche stanno diventando parte quotidiana della nostra esistenza, e stanno crescendo sempre di più gli studi circa gli eventuali effetti negativi sulla salute umana dell'esposizione prolungata e continua a campi elettromagnetici di una certa entità [2].
E' da tenere in forte considerazione nel mondo in cui viviamo oggi, in cui lo spettro delle frequenze stà arrivando velocemente alla saturazione, anche l'inquinamento da campi elettromagnetici. Oggigiorno bisogna valutare il parametro ambientale compatibilità
elettromagnetica così come se ne valutano gli altri come il rumore (fenomeno molto simile a quello elettromagnetico, anche se più complesso, perchè le frequenze in gioco sono molto più elevate), le vibrazioni, la temperatura, l'umidità, etc. La compatibilità elettromagnetica è infatti il risultato della coesistenza senza interferenza reciproca degli apparecchi in uno stesso ambiente.
La direttiva dell'Unione Europea EMC 89/336/CEE che si applica alla quasi totalità degli apparecchi elettrici e/o elettronici (dal macina caffè al telefono satellitare), è stata emessa nel 1989 ed opera dal 1° gennaio 1996. Essa prescrive di eliminare, o almeno di ridurre ai minimi termini, la possibilità di generare interferenze e di essere disturbati dalle stesse, tramite la corretta progettazione e realizzazione dei sistemi elettronici. Prevede, quindi, che tutti gli apparecchi elettrici e/o elettronici commercializzati nel mercato dell'Unione Europea per usi civili ed industriali debbano essere stati testati anche dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica per ottenere la marcatura CE di conformità. L'impatto industriale di questa normativa è evidente e con questo l'importanza di una progettazione elettromagneticamente compatibile.

Compatibilità Elettromagnetica e sue problematiche

La compatibilità elettromagnetica è un fenomeno ben noto, ed esiste da quando le primeantenne ed i ricevitori radio furono messi in opera; però fino a pochi anni fa, era un problema esclusivo del settore delle telecomunicazioni, per il quale si sono anche studiati efficaci metodi per la correzione dei segnali dalle interferenze di tipo elettromagnetico.
Durante e immediatamente dopo la seconda guerra mondiale, l'uso sempre più frequente di dispositivi elettronici come le radio, gli strumenti di navigazione ed i radar nonché tutti quegli apparecchi contenenti valvole a vuoto, rese l'interferenza un fenomeno altrettanto frequente. La correzione della stessa, tuttavia, era ancora abbastanza facile, potendo essere effettuata sia tramite la semplice riassegnazione delle frequenze di trasmissione che tramite un analisi 'caso per caso'.
Con andamento proporzionale rispetto al progresso della tecnologia, i problemi legati all'interferenza elettromagnetica sono andati progressivamente aumentando, prima con l'introduzione dei sistemi di calcolo ed elaborazione dati di tipo digitale, poi con il passaggio della tecnologia a valvole con quella dei circuiti integrati e, soprattutto, con l'accelerazione incredibile, iniziata verso la fine degli anni '70, della tendenza a passare dalla tecnologia di elaborazione dati di tipo analogico a quella digitale.
Nel mondo odierno, la sempre crescente diffusione ed importanza dell'elettronica nelle più svariate applicazioni ha portato ad avere una tale concentrazione di sorgenti di rumore elettromagnetico, oltretutto così ricco di contenuto spettrale, da saturare tutte le frequenze disponibili e da generare un livello di interferenza reciproca del tutto inaccettabile. A questo punto, il problema delle interferenze elettromagnetiche non è più ristretto solo al campo delle telecomunicazioni, ma va a toccare virtualmente qualunque settore in cui ci sia dell'elettronica coinvolta.
Il problema fisico della compatibilità elettromagnetica nasce quando, nello stesso ambiente, coesistono apparecchi con componenti elettrici e/o elettronici che possono generare campi elettromagnetici. I campi elettromagnetici vengono infatti prodotti da correnti e tensioni variabili, sono funzione della frequenza, ed interagiscono con l'ambiente circostante, in cui sono già presenti altri campi elettromagnetici, inducendo correnti e tensioni indesiderate, tali da poter creare interferenze.
Un sistema elettronico che sia in grado di funzionare compatibilmente ad altri sistemi elettronici e che non produca o sia suscettibile alle interferenze è un sistema elettromagneticamente compatibile con il suo ambiente, cioè soddisfa essenzialmente tre criteri:
1. non causa interferenza con altri sistemi;
2. non è suscettibile alle emissioni degli altri sistemi;
3. non causa interferenze interne.
Questa è la definizione scientifica di compatibilità elettromagnetica.
La direttiva prevede due requisiti essenziali, il requisito di 'emissione di disturbi opportunamente limitata' ed il requisito di 'massima immunità ai disturbi', che insieme soddisfano i tre precedenti criteri.

Schema logico del fenomeno elettromagnetico: come nasce e come prevenirlo e/o limitarlo

Il fenomeno EMC si sviluppa sempre secondo lo schema fisico seguente, in cui devono esser
presenti:
1. una sorgente.
2. un percorso di propagazione.
3. un ricevitore di energia elettromagnetica.

La sorgente (o emittente) emette segnali e disturbi, la cui energia viene trasferita tramite un certo percorso di propagazione ad un ricevitore, dove è possibile che si manifesti un comportamento indesiderato o un degrado delle sue prestazioni, nel qual caso si parla di interferenza elettromagnetica. Naturalmente il trasferimento non intenzionale di energia elettromagnetica porta ad interferenza solo a patto che l’energia ricevuta abbia frequenza e/o ampiezza di spettro tale da influenzare le informazioni in ingresso al ricevente e causarne quindi un funzionamento scorretto.
Tenendo presente questo schema, si evidenziano tre metodi per prevenire o, almeno, limitare le interferenze:
1. cercare di sopprimere o limitare le emissioni direttamente alla sorgente;
2. rendere il percorso di propagazione il più inefficiente possibile;
3. rendere il ricevente meno suscettibile alle interferenze.

Questi tre metodi sarebbero da utilizzare in cascata, in quanto se il risultato del primo fosse un'emissione nulla, il percorso di propagazione non potrebbe essere efficiente e non ci sarebbe motivo di schermare un qualche modo il ricevente.
Purtroppo, di solito non è così semplice. Per esempio, l'efficienza del percorso di propagazione è direttamente proporzionale alla frequenza del segnale generato dalla sorgente in quanto tempi di salita troppo brevi e quindi segnali troppo veloci sono i maggiori responsabili del contenuto spettrale ad alta frequenza degli stessi. Un'idea potrebbe essere quindi quella di aumentare il più possibile il tempo di salita dei segnali impulsivi emessi dalla sorgente, ma non si può eseguire questa operazione in maniera indiscriminata: esiste un limite al di sopra del quale il segnale diventa troppo 'lento' ed il circuito entra in errore. Inoltre, ridurre il contenuto spettrale ad alta frequenza di un'emissione, riduce l'efficienza del percorso di propagazione e quindi riduce il livello di segnale che perviene al blocco ricevente, e ciò non è sempre un effetto desiderabile né, tanto meno, voluto.
In generale, i metodi per aiutare la compatibilità elettromagnetica vanno dall'uso di dispositivi adeguati di isolamento (ad esempio dei soppressori), al disaccoppiamento, all'elevazione dell'immunità intrinseca del prodotto (cioè si cerca di limitare la banda di ricezione dei segnali).
Bisognerebbe anche fare in modo che ogni connessione di segnali presenti un ritorno di cammino adiacente e utilizzare dei filtri per sopprimere i segnali indesiderati, fino ad arrivare a quelle soluzioni che impediscano il passaggio dei segnali quale, ad esempio, la schermatura tramite un contenitore metallico del ricevente.

I diversi tipi di interferenza elettromagnetica

I meccanismi di propagazione dell'energia elettromagnetica sono sostanzialmente tre:
1. conduzione;
2. accoppiamento reattivo (induttivo e capacitivo);
3. radiazione elettromagnetica.
La conduzione di energia avviene attraverso i cavi di alimentazione, i cavi di segnale, il conduttore di terra ed altri percorsi a bassa impedenza. L'accoppiamento reattivo dipende essenzialmente dalla distanza (in particolare quello capacitivo, di solito associato ad alte tensioni e ad alte impedenze), dall'orientamento (quello induttivo, con alte correnti e basse impedenze), dalle dimensioni e dall'impedenza del circuito accoppiato.
Al fine di risolvere ogni problema di compatibilità elettromagnetica, la si può pensare divisa
in quattro sottoproblemi:
• emissioni irradiate, (RE)
• suscettibilità irradiata, (RS)
• emissioni condotte, (CE)
• suscettibilità condotta, (CS)
Pensando ad un tipico sistema elettronico, esso consiste di solito di diversi sottosistemi che dialogano tra loro via cavo ed è alimentato dalla rete civile a corrente alternata.
L'alimentatore ha poi il compito di convertire la corrente alternata a 220V, 50Hz che proviene dalla rete esterna, ai vari livelli di tensione in continua richiesti dai diversi componenti elettronici interni al sistema. Tramite connessioni mediante cavi interni, poi, l'alimentazione a questi livelli di tensione viene portata dove serve. I cavi interni sono di solito particolarmente efficienti nell'emissione e/o ricezione di energia elettromagnetica, e la loro lunghezza è direttamente proporzionale a questa efficienza.
I segnali di interferenza possono quindi passare direttamente da un sottosistema ad un altro tramite questa loro connessione fisica interna. Se poi i sottosistemi sono racchiusi in contenitori metallici, su di essi si può verificare la presenza di correnti indotte da segnali interni o esterni ad essi, e queste possono irradiare energia sia all'esterno che all'interno del contenitore.
Sta diventando prassi sempre più diffusa, specialmente per sistemi elettronici non troppo costosi, l'utilizzo di schermi non più metallici, ma di plastica (non conduttrice): in questo caso però, i circuiti elettronici presenti nei contenitori, sono completamente esposti alle emissioni elettromagnetiche, il che significa che possono irradiare direttamente oppure essere soggetti alle interferenze esterne.
Le emissioni elettromagnetiche possono essere generate da un cavo di alimentazione, da uno schermo metallico contenente un sottosistema, da un cavo interno che collega sottosistemi diversi, oppure da un componente elettronico situato all'interno di un contenitore non metallico. Questo tipo di emissioni sono ne le emissioni radiate (fig.2,a): si tratta perciò di onde elettromagnetiche che si propagano nel mezzo circostante e sono frutto dell’irradiazione di correnti che circolano lungo elementi conduttori (schermi o cavi).
Il cavo di alimentazione (o un qualsiasi cavo di interconnessione) può anche funzionare da 'antenna', captando le emissioni radiate da altri sistemi elettronici localizzati più o meno nelle vicinanze. Le emissioni captate dal cavo inducono nel cavo stesso, con una determinata efficienza, delle correnti di disturbo che possono così giungere fino ai componenti interni del sistema e dare origine a fenomeni di interferenza. Il problema è dunque, in questo caso, una sensibilità alle emissioni presenti nell'ambiente di lavoro, ossia di suscettività radiata (fig.2, b).
Le emissioni e la suscettività all'energia elettromagnetica non avvengono però solo attraverso onde elettromagnetiche che si propagano nell'aria. Esistono anche altri fenomeni di propagazione diretta nei conduttori metallici. Nella maggior parte dei casi, questo tipo di accoppiamento è più efficiente di quello che si ha per effetto della propagazione in aria; di conseguenza, il progetto dei dispositivi deve sempre prevedere apposite barriere alla propagazione dei disturbi, ossia dei filtri, lungo il percorso di accoppiamento, in modo da bloccare la trasmissione di energia non voluta.
I segnali indesiderati emessi da un sistema e che si propagano da esso ad altri sistemi tramite i cavi di interconnessione prendono il nome di emissioni condotte (fig.2, c). Viceversa, la sensibilitàdi un sistema a segnali di disturbo che gli arrivano tramite il cordone di alimentazione o tramite altri cavi di interconnessione, prende il nome di suscettività condotta (fig.2, d).

Un problema di suscettività attualmente sempre più frequente nei circuiti integrati su piccola scala è legato alle cosiddette scariche elettrostatiche (ESD, Electrostatic Discharge). [3]
Inoltre, dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, è da considerare il fenomeno di impulso elettromagnetico (NEMP, nuclear electromagnetic pulse) irradiato da un esplosione nucleare. La differenza fondamente con altri fenomeni, è l’alto valore di energia sprigionata da un’esplosione nucleare, e quindi l’alto valore di campo elettromagnetico da essa generato. Questi campi elettromagnetici possono provocare malfunzionamenti nei circuiti elettronici fino ad arrivare alla distruzione dei componenti stessi dovuto all’eccessiva energia che investe il componente nelle parti delle giunzioni. [4]
Infine, qualche accenno meritano anche lo studio degli effetti provocati da un fulmine.
Anche in questo caso, sia gli effetti diretti che quelli indiretti (in cui i campi elettromangetici generati coinvolgono il sistema per accoppiamento con la rete di distribuzione dell’energia, raggiungendo così il sistema attraverso il cavo di alimentazione) possono provocare gravi danni.
Per questo motivo è importante progettare i sistemi in maniera tale che variazioni di tensione e di frequenza nel cavo di alimentazione non disturbino il corretto funzionamento del sistema.
In conclusione, i principali disturbi elettromagnetici, si possono classificare in:
• Naturali:
- Fulmini, scariche elettrostatiche, Attività cosmica, etc.
• Artificiali Intenzionali:
- Emissioni radiotelevisive, Ponti radio, Telefonia cellulare e cordless, Sistemi di
radionavigazione e radars.
• Artificiali non voluti:
- Qualunque circuito elettrico percorso da correnti variabili nel tempo emette disturbi
elettromagnetici.
Tra questi ultimi tipi di disturbi si ricordano le emissioni dovute ai circuiti di clock,
all’attività dei BUS e delle schede digitali, agli alimentatori a commutazione, alla brusca interruzione di correnti su carichi induttivi, alle spazzole dei motori in continua, alle scariche nei gas, etc.
In genere l’entita del disturbo artificiale cresce con la rapidità di variazione della corrente o della tensione che lo ha generato.
Le norme prevedono una serie di prove sia per verificare l’entità dei disturbi artificiali emessi, sia per testare la suscettibilità degli apparati e sistemi alle diverse tipologia di disturbo.

Principali meccanismi di emissione elettromagnetica

Un paragrafo a parte meritano i meccanismi di emissione dovuti ai dipoli, ai problemi di grounding (affrontati anche in seguito più specificatamente nel caso di PCB), e alle vie di accoppiamento tra apparato ed ambiente EM [5]:

Se due conduttori (o un conduttore rispetto ad un’ampia superficie metallica), sono mantenuti ad una differenza di potenziale a radiofrequenza che varia nel tempo, nello spazio circostante si crea un campo elettrico che varia anch’esso nel tempo, e che si propaga come irradiazione di tipo elettromagnetico. Questo effetto è particolarmente sentito quando non si riesce a mantenere equipotenziali a radiofrequenza tutti i conduttori considerati ‘a massa’, cioè a 0V. Se infatti, ad esempio, il piano a 0V di una scheda non è equipotenziale a RF con quello di un’altra scheda, o con il contenitore metallico dell’apparato, se creano dei dipoli elettrici che, purtroppo, sono molto efficaci nell’irradiare nello spazio circostante. Questo tipo di emissione, molto frequente nelle realizzazioni pratiche, è uno dei meccanismi di ‘emissione di modo comune’. Tutti e circuiti e dipoli, infine, possono, dualmente, funzionare anche con altrettanta efficacia da antenne riceventi e quindi esser causa di suscettibilità ai disturbi irradiati.
Problemi di ‘Grounding’:

Nella pratica comune si è soliti chiamare con il nome di ‘massa’ o di ‘terra’ indifferentemente molte strutture che invece hanno significato ben diverso l’una dall’altra e che è bene non confondere:
- Riferimento di tensione a 0V: i circuiti, per scambiarsi informazioni, devono misurare le tensioni rispetto ad un riferimento comune, che si definisce a 0V. Esso è costituito da una rete di conduttori che si diffonde in tutto l’apparato, e che dovrebbe essere equipotenziale. Purtroppo, le cadute di potenziale dovute all’impedenza dei conduttori, e alle correnti a RF che li percorrono, rendono non equipotenziale il riferimento.
- Masse: dette così tutti gli oggetti metallici presenti (contenitori, dissipatori di calore, etc.) che non hanno funzione elettrica ma che possono presentare accoppiamenti parassiti con i circuiti dell’apparato.
- Terra: tutte le masse accessibili da un utente, per ragioni di sicurezza elettrica, devono esser riferite alla terra dell’edificio o dell’impianto.
In ogni apparato, poi, non esiste un solo riferimento a 0V, ma più alimentazioni, e quindi diversi sistemi di riferimento. Tutti questi, insieme alla loro interconnessione, devono esser realizzati in modo da esser i più equipotenziali possibile, per evitare da un lato errori nella trasmissione di segnali e diafonie, dall’altro irradiazioni di modo comune.
Inoltre occorre chiedersi, di caso in caso, se conviene che le masse siano connesse allo 0V (e nel caso in quali punti), e se il collegamento deve esser in continua o tramite un condensatore. La presenza simbolica di quell’interruttore in figura vuole proprio indicare questo dilemma. In ogni caso, anche se si lasciano le masse flottanti, occorre ricordare che, data l’estensione delle superfici interessate, vi sarà una capacità parassita non trascurabile ad alte frequenze tra masse e 0V.
La scelta della miglior realizzazione di ‘grounding’ è fondamentale per quanto riguarda il comportamento di sistemi ed apparati nei confronti di EMC.

Meccanismi per accoppiamento tra apparato ed ambiente EM:

- Disturbi condotti sulla rete:

In figura sono evidenziati, in modo schematico, il riferimento di tensione, le masse e la
terra, nonché le connessioni. Si ipotizzi di avere due apparati (o due parti o schede dello stesso
apparato) che devono scambiarsi informazioni. Gli apparati ed i sistemi, se non alimentati da
batteria interna, ricevono l’alimentazione da fonte esterna di potenza che serve anche altri
utilizzatori. Da un lato, l’apparato non deve emettere, su questi fili, segnali non voluti di entità
superiore a quanto ammesso dalle norme; dall’altro, l’apparato deve poter funzionare correttamente
pur in presenza di disturbi condotti sui fili di alimentazione, dovuti all’attività degli altri utilizzatori
o da fenomeni naturali (es fulmini) o dal non perfetto funzionamento dell’alimentatore.
- Disturbi condotti sulla terra:


Sull’impianto di terra circolano correnti dovute alla emissioni di modo comune di tutti gli apparati connessi allo stesso impianto. Poiché l’impedenza dei conduttori di terra non è nulla, ma è sensibile soprattutto alle alte frequenze, le correnti che vi transitano provocano cadute di potenziale che si presentano come tensioni di disturbo tra i riferimenti di tensione a 0V degli apparati che devono scambiarsi segnali, con possibili errori o diafonie. Questo effetto è maggiormente sentito se le masse sono connesse ai riferimenti di tensione a 0V.
I segnali condotti sulla terra sono detti ‘segnali di modo comune’.
- Disturbi condotti sulle interconnessioni:

Sulle linee di interconnessione viaggiano i segnali che gli apparati devono scambiarsi, sia sotto forma di informazione, sia di regolazione di potenza. Purtroppo però possono esser presenti anche segnali non voluti, e quindi disturbi, dovuti a:

- accoppiamenti parassiti che avvengono all’interno degli apparati stessi con circuiti molto emittenti (ad es. Clock, circuiti PWM, alimentatori a commutazione, etc.)
- accoppiamenti parassiti di tipo induttivo o capacitivo con linee di connessione, si altri sistemi o apparati, che viaggiano nelle vicinanze e che sono sedi di correnti o di tensioni fortemente variabili nel tempo. L’introduzione di filtri passa-basso all’ingresso di ogni apparato può limitare la banda passante a quella strettamente necessaria per il segnale utile, riducendo fortemente l’entità di tutti i disturbi che hanno componenti in frequenza al di fuori della banda passante del filtro.

- Disturbi irradiati di modo comune:

Esiste però un altro anello , in genere di area molto maggiore del precedente, costituito dalla linea di connessione del riferimento di tensione, dalle masse e dalla terra, che, concatenando un campo elettromagnetico di disturbo, può tradurlo in un segnale elettrico che si trova, come modo comune, tra i due riferimenti di tensione degli apparati che devono scambiarsi informazioni.
Dualmente, in presenza di una corrente di modo comune che circoli sull’impianto di terra, l’anello di cui sopra può divenire un’antenna trasmittente che emette segnali irradiati. Questo tipo di accoppiamento, a causa della notevole area dell’anello, è in genere molto efficace, soprattutto alle frequenze meno elevate, ed è una delle cause più importanti sia di emissione che di suscettibilità.
- Analisi dello spettro di una successione periodica di impulsi:

La conoscenza dello spettro del segnale, è molto importante per valutare l’entità del disturbo emesso, nonché per poter predisporre le opportune misure di prevenzione all’atto del progetto dell’apparato o sistema.
Molto spesso, i segnali più pericolosi dal punto di vista EMC, hanno forma di onda pseudoquadra, come nel caso di segnali di clock digitali, o di quelli dovuti all’attività di alimentatori a commutazione. L’analisi di Fourier di una successione periodica di impulsi, porta ad uno spettro rigato, con righe distanti tra di loro 1/T, e con ampiezza An dell’ennesima riga come indicato dalla formula in figura.
In questa si può notare un fattore del tipo sen(x)/x, dove x=nπτ/T, dipende dal duty cicle τ/T, seguito da un altro fattore dello stesso tipo, ma dipendente dal tempo di salita (e di discesa) tr, della forma d’onda.
Per poter effettuare stime con facilità, si può semplificare questo modello matematico dello spettro, considerandone l’inviluppo e commettendo così un errore per eccesso nella valutazione dell’ampiezza delle righe.
In scale logaritmiche (Bode), l’ampiezza delle righe è contenuta al di sotto della curva indicata, con uno spettro che è considerabile constante sino ad una frequenza 1/πτ, che decresce 20 dB/decade (inversamente proporzionale alla frequenza) sino ad f=πtr, e quindi decresce con pendenza 40 dB/decade.
Poiché sia l’irradiazione di un circuito, sia i disturbi indotti sui circuiti vicini crescono con la frequenza, si desume che, dato un segnale, la porzione dello spettro interessante per i fenomeni EMC, si estende almeno sino alle frequenza 1/ πtr, e quindi più che la frequenza di ripetizione del segnale, interessa il tempo minimo di salita e di discesa della forma d’onda.

Direttiva EMC

Tutti questi aspetti hanno reso la compatibilità elettromagnetica un fattore determinante per la commerciabilità di un apparato elettrico e/o elettronico: un prodotto che non soddisfi i requisiti fissati dalla direttiva EMC, non può essere commercializzato in nessun Stato appartenente allo Spazio Economico Europeo (SEE), indipendentemente dalla sua utilità o dalla propensione dei consumatori all’acquisto.
Il principale scopo della direttiva EMC è di garantire la libera circolazione degli apparecchi (nella loro accezione più ampia, come recita l'art.1 punto1) e di creare un ambiente elettromagneticamente accettabile nel territorio dello Spazio Economico Europeo (SEE). Per arrivare a ciò, la direttiva, basata sull'articolo 100A del Trattato dell'Unione Europea, richiede un alto livello armonizzato di protezione [6].
I principali obiettivi si possono così riassumere:
• garantire che i disturbi elettromagnetici prodotti dagli apparecchi elettrici e/o elettronici non impediscano l'adeguato funzionamento né di altri apparecchi né delle reti di radio e telecomunicazione con relativi dispositivi collegati, o delle reti di distribuzione dell'energia elettrica;
• assicurare che gli apparecchi abbiano un livello adeguato di immunità intrinseca ai disturbi elettromagnetici tale da permetter loro di funzionare adeguatamente.
Per soddisfarli, la direttiva EMC prevede dei requisiti di protezione e delle procedure attraverso le quali il fabbricante, da solo o tramite l'ausilio di una terza parte, possa valutare il suo apparecchio e renderlo conforme alla direttiva stessa.
Ovviamente, l'obiettivo del livello di protezione non è quello di garantire la protezione assoluta dell'apparecchio (ad esempio livello zero di immissione o immunità totale). Questi requisiti devono tenere comunque in conto sia fatti fisici sia ragioni pratiche. In questo modo, il processo è aperto a ogni futuro sviluppo tecnico, in quanto la direttiva EMC descrive solo i requisiti di protezione lungo linee generali.
Gli apparecchi elettrici ed elettronici, in conformità con i requisiti della direttiva, possono essere messi sul mercato in tutto il territorio del SEE, possono circolare liberamente ed essere utilizzati conformemente alla loro progettazione ed uso inteso nell'ambiente elettromagnetico atteso.

Analisi EMC

Il fabbricante, il suo mandatario o in alcuni casi il responsabile dell'immissione del prodotto sul mercato del SEE o della sua messa in servizio, deve definire se lo stesso ricada o meno nel campo di applicazione della direttiva EMC ed applicarne di conseguenza i requisiti. Il fabbricante(sempre inteso nell'accezione più ampia prevista dalla direttiva) deve perciò eseguire un esame elettromagnetico (analisi EMC) sulla base della direttiva stessa [7].
Egli è il primo ed ultimo responsabile della conformità del suo prodotto alla direttiva e anche della valutazione dei potenziali problemi EMC che lo stesso potrebbe presentare qualora utilizzato conformemente alla sua destinazione d'uso nell'ambiente EMC atteso. E' comunque da ricordare che, data la particolare natura, il fenomeno EMC può produrre rischi che non dipendono solo dal prodotto in sé, ma dal suo ambiente, dal modo in cui è stato installato, etc.
Il diagramma decisionale dato in figura 3 è uno strumento pratico e sintetico che permette una semplificazione dell'analisi EMC, definendo quali tipi di dispositivi elettrici e/o elettronici siano o meno inclusi nella direttiva EMC. Le norme europee giocano un ruolo chiave, non solo perchè semplificano considerevolmente le procedure di valutazione della conformità se utilizzate completamente (art.10, par.1 della direttiva), ma anche perchè forniscono una soluzione tecnica armonizzata, unica, decisa per consenso.
Anche se l'analisi EMC è piena responsabilità del fabbricante, è assolutamente necessario che le autorità di controllo degli Stati membri e tutti gli operatori economici e sociali investiti dalla direttiva EMC (si intendono anche normatori, certificatori, responsabili del controllo di mercato, etc.) arrivino allo stesso livello di comprensione se si vuole che il mercato interno funzioni senza intoppi.

Qui di seguito verranno brevemente descritti i passi successivi ed i criteri del diagramma di flusso che descrive l'analisi EMI (per una trattazione completa, si rimanda a ...):
I) Determinare se il prodotto contenga parti o componentistica elettrica e/o elettronica.
II) Esaminare le totali esclusioni/inclusioni citate nella direttiva EMC: essa si applica agli apparecchi che possono causare disturbi elettromagnetici o il cui normale funzionamento può esser influenzato da tali disturbi. In questo contesto, gli apparecchi EM-passivi* (cavi e sistemi di cablaggio, accessori per cavi, apparecchi contenenti solo carichi resistivi senza alcun dispositivo automatico di switch, batterie ed accumulatori), sono esclusi dal campo di applicazione della direttiva EMC.
III) Esaminare le parziali esclusioni/inclusioni citate nella direttiva EMC; nel caso di esclusioni parziali, va identificata la misura in cui i requisiti di protezione sono armonizzati da altri regolamenti specialmente da direttive specifiche.
IV) Determinare se il prodotto elettrico possa esser considerato come passivo dal punto di vista del suo comportamento EMC o meno.
V) Determinare se il prodotto è citato esplicitamente nell'allegato III delle direttive 89/336/CEE, 92/31/CEE, 93/68/CEE e 93/97/CEE.
VI) Controllare se esista qualche norma armonizzata di prodotto o di famiglia di prodotto pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale delle Comunità Europee ai sensi della direttiva EMC.
VII) Determinare se il prodotto può esser considerato esente dalla direttiva EMC per consenso degli Stati membri e delle altre parti sociali coinvolte nella redazione della guida di applicazione.
VIII-IX-X) Il fabbricante deve determinare la classificazione del suo prodotto elettrico, se sia un componente, un prodotto finito, un sistema o un impianto. Per questa classificazione tecnico-commerciale si rimanda alle definizioni fornite dalla [1, par.5.2].
I componenti con una funzione diretta devono essere sempre accompagnati dalle istruzioni per l'uso così come richiesto nell'Allegato III della direttiva, e solo se hanno una funzione diretta e sono immessi sul mercato come singola unità commerciale per la distribuzione e/o l'uso finale, sono soggetti agli altri obblighi previsti dalla direttiva.
I sistemi e gli impianti sono coperti dalla direttiva EMC.
Se il fabbricante si avvale del diagramma di flusso sopra descritto e se conclude che il suo prodotto è escluso dalla direttiva EMC, non è obbligato a fornire una dichiarazione CE di conformità e quindi a marcare CE il prodotto. Però, è caldamente consigliato che egli stesso (o il suo mandatario, l'importatore o qualsiasi altra persona che immette il prodotto sul mercato) tenga la documentazione relativa all'analisi EMC effettuata a disposizione delle autorità competenti, per scopi ispettivi, come avviene per la dichiarazione CE di conformità, nella quale scriverà le ragioni della sua decisione di non applicare la direttiva. Ciò è particolarmente importante se conclude che il suo prodotto è escluso per consenso (VII).
Infine, dato che il diagramma di flusso è una semplificazione, è limitato a prodotti nuovi. I prodotti usati, di seconda mano o riparati, insieme alle parti di ricambio, sono trattati in maniera diversa [1, par.5.3].

Marcatura CE

Tutti i prodotti conformi ai requisiti di protezione previsti dalla direttiva, devono essere provvisti della marcatura CE, composta dalla sigla CE riportata nell'Allegato I della direttiva (fig.4) e deve essere posta dal fabbricante o dal suo mandatario stabilito nella Comunità.

Quando un prodotto ricade nel campo di applicazione di più direttive, la marcatura CE indica la sua conformità a tutti i requisiti da esse previsti.
La marcatura CE deve esser leggibile, visibile ed indelebile e deve esser apposta sul prodotto, sulle istruzioni per l'uso o, in alternativa, sul tagliando di garanzia e, facoltativamente, sull'imballaggio. E' proibito apporre dei marchi che possano confondersi con la marcatura CE di conformità [8].

*apparecchi EM-passivi: apparecchio che, utilizzato conformemente alla sua destinazione d'uso (senza misure internedi protezione quali schermature o filtri), e senza alcun intervento da parte dell'utilizzatore, non crea o produce nè fenomeni di switch, né oscillazione di corrente ed il suo funzionamento non è compromesso da disturbi elettromagnetici.

Controllo di EMI nel progetto PCB

La progettazione EMC è assai complessa. Ci sono tanti fattori interconnessi che
intervengono, e la maggior parte di essi sono difficile da predire, specialmente se si manifestano in
concomitanza. Un punto fondamentale perchè il progettista non faccia confusione nell’osservare
tutte le sorgenti di EMI che si possono avere in una PCB nel suo insieme, è quello di assicurarsi per
prima cosa che ogni potenziale sorgente di EMI venga considerata individualmente, ed in un
secondo momento, adottare delle tecniche di progettazione diverse, ognuna orientata verso una
sorgente [9].
In fase di progettazione, ci si imbatte in una miriade di trade-offs ingegneristici, ma se il progettista ha chiari gli obiettivi, e capisce dove si manifestano le emissioni EMI e come controllarle, allora sarà possibile effettuare il progetto corretto.
Il metodo più efficace per ridurre le emissioni di EMI è controllare i segnali in gioco sulla PCB alla loro origine, contando che la maggior parte di questi segnali vengono originati dalle correnti di commutazione negli ICs.
Tutte le correnti tempo-varianti in un sistema, sia che siano o non siano intenzionali (necessarie per il funzionamento del prodotto), irradiano. Per capir meglio il fenomeno di EMI, bisogna pensare in termini di corrente e frequenza, piuttosto che di voltaggio e tempo. Le correnti irradiano di più ad alte frequenze, e piccole correnti possono causare più radiazione di quelle di intensità maggiore. Per esempio, poiché i cavi possono fungere da vere e proprie antenne, le correnti di rumore indotte su di essi possono esser molto piccole, ma possono anche irradiare significativamente. Tenendo presente che il fenomeno di EMI a livello di sistema deriva direttamente da quello nelle PCB, è essenziale progettare al meglio la PCB stessa per il controllo di EMI del sistema totale [10, 11].
Dei molteplici meccanismi di EMI, quello nelle PCB è dominato dalla radiazione cosiddetta differenziale (Differential Mode Radiation, DMR), mentre quella a livello di sistema è dominata dalla radiazione di modo comune (Common Mode Radiation, CMR). La DMR risulta da segnali e correnti di ritorno, che sono strettamente correlati. Queste correnti differenziali, possono esser di ampiezza elevata, ma agendo su cancellazione di fase si può ridurre significativamente la potenza di campo irradiata. Invece, la CMR è la risultante delle correnti di perdita dei cavi. Queste correnti posson esser piccole, ma il ritorno di esse alla sorgente, può esser di intensità molto elevata, avvenendo su una regione molto ampia, e quindi irradiare notevolmente.
A basse frequenze, non è insolito che le correnti di modo-comune sui cavi, sebbene più piccole di quelle di modo differenziale su una PCB, irradiano maggiormente, dovuto primariamente al fatto che la lunghezza fisica dei cavi e la loro lunghezza d’onda è tipicamente di molti ordini di grandezza maggiori dell’area di loop della DM. Ad alte frequenze, al contrario, la DMR diventa molto più importante perché è proporzionale al quadrato della frequenza, mentre quella di modo comune cresce linearmente con la frequenza.
Sia nel modo differenziale che in quello comune, le quantità direttamente controllabili sono le correnti e le dimensioni dei cavi (antenne). Quindi, per raggiungere l’obiettivo di un buon design a livello di EMI, bisogna controllarle in modo da includere nel loro spettro di frequenza solo quelle armoniche necessarie per la corretta operatività del sistema, riducendo in tal modo notevolmente la possibilità di avere armoniche ad alta frequenza causanti emissioni non volute.
Un altro aspetto notevole da considerare durante la progettazione di una PCB, è l’effetto dovuto alle induttanze, nelle quali circolano in loop delle correnti. A volte, il percorso totale delle stesse non è ben chiaro, e considerando che una sua parte potrebbe essere parzialmente radiata, anche il concetto di induttanza parziale diventa importante. Poichè, come è facile intuire, la combinazione delle induttanze parziali, restituisce quella totale, una riduzione della prima porta inevitabilmente ad una riduzione della seconda. Entrambi i due tipi di induttanze sono ora più che mai di importanza fondamentale, vista la crescita delle velocità dei segnali in gioco, e visto che persino un perfetto semiconduttore può esser dotato di induttanza. L’impedenza propria dell’induttanza fa sì che si crei un potenziale non nullo nel passaggio della corrente attraverso essa; questo potrebbe esser fonte di disturbi attraverso i piani di massa, sulle ampiezze dei segnali, e quindi sommarsi alle emissioni EMI.
Nello sviluppo di un sistema, la scelta delle interfacce elettriche, ha sempre rappresentato un argomento di specifico interesse a causa del rilevante numero di implicazioni di cui occorre tener conto. La massa elettrica (‘Ground’) rappresenta l’interfaccia più importante, ed, al tempo stesso, è una grossa fonte di equivocità, soprattutto per i diversi significati che può assumere. La scelta della massa ha impatto sui costi e sui pesi, sulla disposizione dei cavi, sull’installazione e dislocazione degli apparati all’interno del sistema, sulle prestazioni operative, ed anche sulle tecniche di misura di EMC. Con questo termine si intende tutto ciò che si mantiene allo stesso potenziale elettrico. Il termine ‘Ground’ definisce il punto dello zero potenziale (anche se questo in pratica non esiste), e con esso si designa allo stesso modo il riferimento della messa a terra (per convertitori di potenza AC a 50/60 Hz), il segnale di riferimento per cammini ad alta velocità, oppure una via di ritorno per i circuiti di segnale, o ancora, nel caso di una schermatura, l’involucro di riferimento, o più semplicemente la messa a terra, come il piano di massa di un Open Area Test Site (OATS), dove spesso vengono misurate le emissioni EMI. Per questo si utilizzano diversi suffissi, quali earthground, ground-reference, power-reference, chassis-reference, etc.
Le interfacce elettriche rappresentano il punto più critico nel controllo delle prestazioni EMC del sistema ed, al tempo stesso, l’area dove maggiormente si impone il criterio del ‘trade-off’ [12]. Esse sono una via preferenziale attraverso la quale le interferenze penetrano nell’apparato. E’ essenziale pertanto selezionare i componenti idonei che risultano meno suscettibili alle inteferenze sia continue sia transitorie.
Altra area di confusione nella trattazione EMC è il concetto di schermatura, importante, poichè nei tipici sistemi, la sorgente di energia è strettamente accoppiata allo schermo di copertura e all’apertura. La presenza di capacità, induttanze ed accoppiamenti elettromagnetici induce correnti sulla schermatura, le quali, trovando aperture nello schermo, potrebbero trasferire energia fuoridella chiusura [13].

Influenze dell' EMC test sul time-to-market


In teoria ogni dispositivo dovrebbe essere costruito in modo tale da soddisfare sia i limiti imposti dagli enti governativi sia i requisiti di suscettività autoimposti dal costruttore.
I metodi per ridurre il livello delle emissioni radiate e condotte di un dispositivo possono essere molteplici e devono essere considerati caso per caso. Tuttavia l'inserimento di componenti, schermature e filtri comporta un costo aggiuntivo che va sommato al costo di produzione del dispositivo stesso. In questo caso il costo di produzione rappresenta un vincolo particolarmente importante per i costruttori. Un altro importante vincolo di progetto é dato dalla commerciabilità del prodotto. Attraverso indagini di mercato si cerca di capire quali siano i prodotti che i consumatori intendono acquistare: l'aspetto e la facilità di utilizzo di un dispositivo sono fattori fondamentali sotto questo aspetto. L'accettabilità di un prodotto da parte del consumatore viene di solito considerata un fattore di primaria importanza, senza la quale ogni altro risparmio sui costi risulta irrilevante. Un altro vincolo di progetto consiste nella possibilità di fabbricazione del prodotto in maniera automatica. I componenti elettronici e altre parti di un apparecchio sono montati per mezzo di robot. Tuttavia, anche se attualmente esistono robot in grado di inserire piccolissimi componenti elettronici sulle piastre dei circuiti stampati, alcuni componenti, quali i cavi, possono essere facilmente disposti manualmente dal personale addetto ma non assemblati con metodi automatici.
Di conseguenza i componenti che vengono aggiunti per ridurre le emissioni devono poter essere facilmente inseriti nel processo di produzione per evitare che si perdano i vantaggi di un assemblaggio automatico.
Da ultimo occorre ancora tenere presenti la tempistica dello sviluppo di un prodotto. I costruttori stabiliscono l'opportunità della commercializzazione di un nuovo prodotto per mezzo di indagini di mercato; queste hanno anche lo scopo di indicare la tendenza del mercato nei confronti degli apparecchi che in tempi successivi saranno realizzati anche da altre aziende. Per poter trarre vantaggio dalle esigenze dei consumatore, un articolo deve essere commercializzato in un preciso momento per non favorire prodotti concorrenti. La pianificazione non é solo rivolta al controllo del processo di realizzazione del prodotto ma serve anche ad assicurare che la disponibilità sul mercato di tale prodotto si realizzi in concomitanza con il momento di massima richiesta. Ritardi nel processo di produzione comportano ovviamente una diminuzione della commerciabilità del prodotto: più tali ritardi sono gravi e più aumenta il costo del prodotto stesso.
I problemi di compatibilità elettromagnetica possono essere causa, e di solito lo sono, di ritardi nel processo di sviluppo. La procedura tipica prevede che le prove per la verifica della conformità alla normativa e dei requisiti autoimposti di compatibilità elettromagnetica siano successive al completamento del processo di sviluppo del prodotto. Se a questo punto si scopre che il dispositivo non soddisfa i requisiti richiesti, è necessario correre ai ripari e cercare di risolvere il problema che si é presentato. Di solito la parte più difficile della soluzione del problema é costituito dalla diagnosi della causa che lo ha generato.
Per individuare sia la causa delle emissioni, sia i modi di accoppiamento di queste, si possono utilizzare vari strumenti quali la LISN (Line Impedance Stabilization Network) e le camere schermate. Il saper fare una diagnosi corretta ed immediata di un problema é cruciale per il rispetto del tempi previsti dalla pianificazione dello sviluppo del prodotto.

Vantaggi di una Progettazione che Soddisfi la Compatibilità Elettromagnetica

I principali vantaggi di una progettazione che tenga conto dei problemi di compatibilitàelettromagnetica sono [10]:
• minimizzare i costi richiesti dall'aggiunta di elementi o da successive fasi di progetto necessarie per il soddisfacimento delle normative (minimizzando così il costo complessivo del prodotto);
• rispettare i tempi previsti dalla pianificazione di sviluppo del prodotto (minimizzando gli eventuali ritardi);
• assicurare che il dispositivo funzioni correttamente in presenza delle inevitabili sorgenti esterne di rumore elettrico localizzate nei pressi del luogo in cui tale prodotto viene installato (minimizzando le lamentele degli acquirenti). È importante sin dalla fase progettuale di un prodotto tenere presente i problemi di compatibilità elettromagnetica che si possono presentare: per esempio nella fase di concepimento del progetto é possibile spostare cavi, modificare la posizione dei convettori sulle piastre dei circuiti stampati, riorganizzare la disposizione delle piastre all'interno del prodotto ecc. in quanto in tale fase il progetto avviene solo "su carta", quando si ha il maggior numero di gradi di libertà [applicazione della direttiva CEE sulla compatibilità elettromagnetica alle apparecchiature elettriche ed elettroniche].
Una volta che si siano costruiti prototipi diventa progressivamente più difficile e più costoso fare modifiche strutturali in quanto ciò comporta variazioni di molti altri aspetti del progetto. Il rivolgere una continua e coerente attenzione ai problemi di compatibilità elettromagnetica permette di minimizzare i costi e i ritardi di realizzazione e costituisce il miglior approccio per il soddisfacimento delle normative da parte del prodotto che si intende realizzare [14].
Inoltre una volta completato il primo prototipo, per quanto esso possa essere rozzo, é consigliabile effettuare le prove per evidenziarne gli eventuali problemi di compatibilità elettromagnetica del dispositivo sia dal punto di vista della suscettibilità sia della irradiazione.

Bibliografia:
[1] A.Orlando, I.Scannavino, S.Vaccaro, Guida alla compatibilità elettromagnetica, Pirola
S.p.a, Milano 1997.
[2] O.P. Gandhi, Electromagnetic Biointeraction. Mechanism, Safety Standards, Protection
Guides, Plenum Press, New York 1989.
[3] E.A.Amerasekera, F.N.Najm, ESD in Silicon Integrated Circuits, Hardcover 2002.
[4] L.W.Ricketts, Electromagnetic Pulse Radiation and Protective Technique, John Wiley &
Sons, 1996.
[5] Audone B., Compatibilità Elettromagnetica, Interferenza e immunità di apparati e sistemi,
McGraw-Hill, 1993.
[6] G.Franceschetti, D.Riccio, M.R.Scarfi, B.Sciannimanica, Esposizione ai campi
elettromagnetici: guida alle norme, Borlinghieri editore, 2000.
[7] F.M.Tesche, M.Ianoz, T.Karlsson, EMC Analysis Methods and Computational Models, John
Wiley and Sons, 1997.
[8] R.Tricker, CE Conformity Marking : the New Approach Directives, Butterworth-
Heinemann, 2000.
[9] M.I.Montrose, Emc & the Printed Circuit Board: Design, Theory, & Layout Made Simple,
IEEE Electromagnetical Compatibility Society, 1998
[10] M.I.Montrose, Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance : A
Handbook for Designers, IEEE Press Series on Electronics Technology, 2000.
[11] B.R.Archambeault, PCB design for real-world EMI control, Kluwer Academic Publishers,
2002.
[12] R.Perez, Steps for the proper development of an EMC control plan, Electromagnetic
Compatibility, 2002 IEEE International Symposium on, 2002 Page(s):766 – 771, Vol.2.
[13] R.Morrison, Grounding and Shielding Techniques, , John Wiley and Sons, 1998.
[14] W.John, EMC-Adequate Design of Printed Circuit Boards as a Part of the System
Development, Design Automation Conference 1997. Proceedings of the ASP-DAC.
Page(s):207 – 214.

 

Progettazione Sistemi Elettronici su Scheda

Manuale tecnico

Normative di legge

Legate al campo di utilizzo del dispositivo

Compatibilità elettromagnetiche (EMC)

Campo di applicazione: DC to 20GHz.

 

EMISSIONI CONTROLLATE SUSCETTIBILITA' CONTROLLATA
  • I disturbi elettromagnetici generati da un apparato durante il suo funzionamento devono essere di entità tale da non compromettere il funzionamento di altri apparati.
  • L’apparato deve essere in grado di funzionare correttamente anche in presenza di disturbi elettromagnetici inferiori ai livelli massimi consentiti
DISTURBI RADIATI DISTURBI CONDOTTI
  • Fanno parte di questa categoria tutti i disturbi che utilizzano l’etere per propagarsi

Frequenza da 30 MHz a 1 GHz
  • Fanno parte di questa categoria tutti i disturbi che si propagano attraverso i cavi di alimentazione e trasmissione

Frequenza da 150 KHz a 30 MHz

 

Progettazione EMC

  • Prevenzione
  • Repressione

Common and Differential Mode Radiation

Affidabilità delle schede elettroniche

Principali meccanismi di guasto

Piastre a circuito stampato (PCB o PWB)

Assemblaggio delle schede

Stress ambientali: shock e vibrazioni

Shock e vibrazioni

Possibili modi di guasto: Possibili meccanismi di guasto: Prove relative a shock e vibrazioni:

Vibrazioni

Saldature: fatica

Saldatura:

Adesione dei film ai substrati

Tipi di adesione:

Adesione: adesione contenitore-scheda

Sequenza di qualificazione
(MIL-STD-810E)

Analisi termica

L' affidabilità di una PWB dipende da:

Test dei connettori

Screening delle PCBs

Screening delle PCBs:esempio

Screening delle PCBs:test su prototipo

Considerazioni Finali

Stategie di test e screeening

Inoltre: