Cos'è l'interferenza elettromagnetica (EMI)?
L’interferenza elettromagnetica (EMI) è un fenomeno indesiderato che può verificarsi in qualsiasi circuito elettrico. È generalmente causata dalla presenza di forti campi elettromagnetici e ha il potenziale per interrompere o interferire con il normale funzionamento dell’elettronica sensibile.
Se non controllata, l’EMI può compromettere le prestazioni dei dispositivi elettronici e dei circuiti integrati. Per questo motivo, gli ingegneri hanno sviluppato varie strategie per prevenire l’insorgenza di EMI nei loro progetti. Queste strategie includono l’uso di cavi schermati, involucri metallici, linee bilanciate e protocolli di segnalazione differenziale. In questo articolo, esamineremo diversi esempi comuni di interferenza elettromagnetica e spiegheremo come è possibile mitigare questi effetti nei tuoi progetti.
EMI vs EMC
EMI ed EMC sono entrambi concetti importanti nel mondo dell’elettronica. Sono correlati, ma non sono la stessa cosa.
EMI è l’abbreviazione di interferenza elettromagnetica. Questo si verifica quando un dispositivo elettronico emette energia elettromagnetica che interferisce con un altro dispositivo. Il risultato può variare da un leggero degrado delle prestazioni a un guasto completo del dispositivo interessato.
EMC è l’abbreviazione di compatibilità elettromagnetica. Questa è la capacità dei dispositivi elettronici di funzionare correttamente in un ambiente che contiene energia elettromagnetica. Ciò include tutto, dalle radiazioni di fondo naturali ai segnali emessi da altri dispositivi.
EMI ed EMC sono entrambi importanti da considerare quando si progettano e si utilizzano dispositivi elettronici. L’EMI può essere un problema se non viene preso in considerazione, ma può anche essere utilizzato in modo vantaggioso in alcuni casi. Ad esempio, i tag di identificazione a radiofrequenza (RFID) utilizzano l’EMI per comunicare con i dispositivi di lettura. L’EMI può anche essere utilizzato per scopi medici, come le scansioni MRI.
L’EMC è importante da considerare in qualsiasi situazione in cui siano presenti dispositivi elettronici. Qualsiasi dispositivo che emetta energia elettromagnetica può potenzialmente causare problemi ad altri dispositivi, quindi è importante assicurarsi che tutti i dispositivi siano compatibili tra loro. Questo può essere una sfida in ambienti in cui sono presenti molti tipi diversi di dispositivi, come edifici per uffici o ospedali.
fonti di interferenza elettromagnetica
Esistono una varietà di fonti di interferenza elettromagnetica (EMI), che possono provenire da fonti sia artificiali che naturali. Le fonti artificiali includono apparecchiature elettriche, come linee elettriche, trasformatori elettrici e dispositivi elettronici. Le fonti naturali di EMI includono fulmini ed eruzioni solari.
Tipi di EMI
Esistono due tipi di EMI, interferenza condotta e interferenza a radiofrequenza (RFI). Quando un segnale su una rete elettrica si accoppia (interferisce) con un’altra rete elettrica attraverso un mezzo conduttivo, questo viene definito interferenza condotta. Quando una sorgente di interferenza accoppia (interferisce) il suo segnale con un’altra rete elettrica attraverso lo spazio, questo viene chiamato interferenza a radiofrequenza.
Interferenza condotta
L’interferenza condotta è suddivisa in due tipi: interferenza di modo comune (CMI) e interferenza di modo differenziale (DMI).
Interferenza di modo comune
Interferenza di modo comune si verifica quando due segnali della stessa frequenza e forma d’onda, ma con ampiezze diverse, interferiscono tra loro. Viene trasmessa tra il filo e la massa, la corrente sui due fili è nella stessa direzione. Appartiene a interferenze asimmetriche.
L’interferenza di modo comune è tipicamente causata da fattori esterni come campi elettromagnetici o rumore elettrico. Può anche essere causata da fattori interni come diafonia tra fili o componenti.
Interferenza di modo differenziale
L’interferenza di modo differenziale si verifica quando due segnali della stessa frequenza e forma d’onda, ma con fasi diverse, interferiscono tra loro. Viene trasmessa tra due fili e le correnti sui due fili sono in direzioni opposte. Appartiene a interferenze simmetriche.
L’interferenza di modo differenziale può verificarsi quando due segnali sono vicini in frequenza, o quando un segnale è molto più forte dell’altro.
Interferenza a radiofrequenza (RFI)
L’interferenza a radiofrequenza (RFI) è qualsiasi segnale che può interferire con il normale funzionamento di un ricevitore radio. L’RFI può provenire da una varietà di fonti, tra cui linee elettriche, trasmettitori, amplificatori di potenza, elettrodomestici e persino altre radio.
Questo tipo di EMI può essere ridotto posizionando un involucro metallico attorno al circuito o ai dispositivi sensibili per impedire al campo elettromagnetico di viaggiare oltre i suoi confini. Sfortunatamente, non esiste un modo semplice per schermare i segnali ad alta frequenza da questa EMI.
Effetti dell'accoppiamento EMI su layout, package e verifica del circuito integrato
L’interferenza elettromagnetica in un circuito integrato dipende dai percorsi di corrente, dalla velocità dei fronti, dai parassiti del package e dalle asimmetrie che trasformano attività differenziale in corrente di modo comune. Anche un segnale piccolo può irradiare molto se il ritorno viene interrotto. Il rimbalzo di alimentazione segue V=L·di/dt, mentre la corrente capacitiva segue I=C·dv/dt. L’analisi deve quindi collegare commutazione logica, albero di clock, uscite simultanee, induttanza del contenitore, disaccoppiamento e geometria di ritorno sulla scheda, correlando spettro, scansione di campo vicino e forme d’onda temporali.
- Anello del package: Modellare bump, fili di bonding, leadframe, piani e condensatori come un solo percorso, perché l’induttanza maggiore può essere esterna al die.
- Armoniche del clock: Esaminare tempo di salita e duty cycle, dato che fronti rapidi producono componenti molto oltre la frequenza fondamentale.
- Conversione di modo: Cercare skew, impedenze di ritorno diverse, connettori sbilanciati e fessure nei piani che generano corrente comune.
- Contenimento sul silicio: Applicare controllo dello slew, clock gating, domini rumorosi separati, disaccoppiamento locale e guard ring secondo il meccanismo simulato.
- Sondaggio sicuro: Ridurre l’anello della sonda, rispettare intervallo e banda dello strumento e usare sonde differenziali idonee senza eliminare la terra protettiva.
Strategie per mitigare l'impatto delle EMI
Esistono una serie di strategie che possono essere impiegate per mitigare l’impatto delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Alcune di queste includono:
Uso di filtri
I filtri possono essere utilizzati per impedire alle EMI di entrare nelle apparecchiature elettriche. Ciò comporta l’installazione di componenti, come filtri, induttori e condensatori, che bloccheranno o attenueranno l’energia elettromagnetica.
Uso della messa a terra
La messa a terra può aiutare a ridurre l’impatto delle EMI fornendo un percorso per la dissipazione delle interferenze. Ciò comporta il collegamento del dispositivo o del sistema a un riferimento di massa, come una piastra metallica o un filo, che dissiperà l’energia elettromagnetica.
Uso della schermatura
La schermatura può aiutare a ridurre la quantità di EMI emessa dalle apparecchiature elettriche. Questo può essere fatto racchiudendo il dispositivo o il sistema suscettibile alle EMI in un materiale conduttivo, come il metallo, che rifletterà o assorbirà l’energia elettromagnetica.
Uso di corrette pratiche di cablaggio
Corrette pratiche di cablaggio possono aiutare a ridurre la quantità di EMI emessa dalle apparecchiature elettriche.
