Viaggio alla scoperta dei test di compatibilità elettromagnetica

I test di compatibilità elettromagnetica (chiamati anche test EMC) sono uno degli incubi dei progettisti hardware e in parte degli sviluppatori firmware. Questo principalmente per due motivi:

  • L’alto budget richiesto: per una certificazione completa EMC sono richiesti come minimo 3000 euro.
  • I tempi lunghi  per prenotare una sessione di prove: questi dipendono dall’ente accreditato scelto ma in genere sono di qualche mese.

Questi test non sono solo una formalità, ma servono per verificare il corretto funzionamento del sistema elettronico (hardware + firmware) per essere sicuri da una parte che funzioni correttamente in presenza di disturbi esterni e dall’altra parte che non causi interferenze con altri dispositivi. Per questo è bene andare un po’ preparati sapendo in linea di massima i test che verranno effettuati.

Lo scopo di questo articolo è proprio questo: darti un’idea di quali sono i principali test che vengono effettuati (senza andare nel dettaglio delle specifiche dei diversi test) e dall’altra di fornire alcuni suggerimenti che ti permettono di evitare spiacevoli inconvenienti quando devi effettuare queste prove. Un piccolo inciso: ci sono delle regole generali (“best practices”) che in genere vengono consigliate. Devi, però, considerare che ogni circuito ha delle sue particolarità.

La prima tipologia di test è quella legata al monitoraggio di eventuali emissioni prodotte dal dispositivo. Questo tipo di prove viene effettuato in una “camera anecoica” cioè una camera che non riflette né emette onde elettromagnetiche.

Al fondo della camera è presente un’antenna che raccoglie le missioni. L’antenna è collegata ad un analizzatore di spettro.


 

L’intervallo di frequenze esaminato in genere va dai 30MHz fino a 1GHz. Le emissioni devono rimanere al di sotto dei limiti fissati dalla normativa di riferimento. In particolare ci sono due classi da considerare: la classe A riguarda i dispositivi che devono operare in ambienti industriali mentre la classe B riguarda i dispositivi che devono operare in ambienti residenziali, commerciali o piccole industrie.                                                                                                                              Limiti di emissione.

La riduzione delle emissioni dipende da molti fattori:

  • Efficacia dei condensatori di disaccoppiamento
  • Disposizione dei layer interni nel tuo PCB ( è importante che i layer di segnale siano quanto più possibile adiacenti a un piano di massa e che il piano di alimentazione e di massa siano quanto più possibile vicini)
  • Assenza di piani di massa/di alimentazione non continui. Interruzioni nel piano di massa si possono avere quando i fori di via sono troppo vicini tra loro non permettendo al piano di scorrere tra i via. Inoltre, si possono trovare gap nel piano di massa quando ci sono più riferimenti di massa (ad esempio una massa analogica e una digitale). Le slot creano distorsioni nel percorso della corrente di ritorno dei segnali e questo può causare emissioni non volute.

                             

            Esempio di slot nel piano di massa dovuta a una spaziatura insufficiente tra i fori di via

  • Presenza di ferriti sui segnali di alimentazione e di ferriti di modo comune poste sui cavi o all’interno del circuito stampato.
  • La lunghezza delle piste e le frequenze in gioco nel tuo circuito stampato
  • Lo sbroglio di DC-DC converter realizzati con componenti  discreti (induttori e transistor) deve essere fatto con attenzione.
  • Il tipo di contenitore utilizzato (contenitori metallici in genere schermano di più rispetto a contenitori plastici.

Un altro tipo di test che viene fatto in camera anecoica sono i test di immunità a radiofrequenza. La prova è regolata dalla normativa IEC-61000-4-3 Il dispositivo viene eccitato da campi elettromagnetici con un’ampiezza di 3V/m e con una frequenza che varia generalmente tra 80MHz e 1GHz. Per dispositivi a radiofrequenza l’intervallo di frequenze di eccitazione può essere portato nella fascia 1.4GHz – 6GHz

Per  superare questa prova è richiesto che il dispositivo continui a funzionare regolarmente quando è presente l’eccitazione. Gli accorgimenti hardware descritti precedentemente possono aiutare anche per questa prova. Questo test serve, però, a verificare la tenuta del sistema complessivo composto sia da hardware ma anche dal firmware e/o dal relativo software.

Un’ altra prova comune, soprattutto se hai dispositivi collegati alla rete elettrica, è il test sulle emissioni condotte. Questo viene effettuato quando il dispositivo deve essere collegato alla rete AC (sia che tu abbia progettato un alimentatore incorporato al tuo dispositivo sia che tu utilizzi un alimentatore esterno pre-certificato). Inoltre in Europa, viene anche applicato quando il dispositivo utilizza l’interfaccia Ethernet.  I disturbi vengono monitorati nella banda compresa tra 150kHz e 30MHz.

Per prepararti a questa prova puoi analizzare le alimentazioni del circuito con un oscilloscopio: se ci sono elevati ripple e spike, è probabile che questi si ripercuotano anche dal lato AC dell’alimentatore. Se usi alimentatori esterni, preparati tre modelli da portare alla sessione di certificazione così che se con uno il sistema non risulta conforme, puoi rifare il test con un altro.

Un’ altra prova molto comune è la robustezza nei confronti delle scariche elettrostatiche (ESD). In questa prova viene usata una pistola ESD (simile all’immagine qui sotto).. La scarica è pari a 4kV quando viene applicata per contatto (ad esempio sul contenitore del dispositivo) mentre è pari a 8kV quando è applicata in aria. La normativa di riferimento è IEC61000-4-2

                                             C:\Users\Gabriele\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.MSO\816902B7.tmp

                                                       Pistola ESD

Per prepararti a questa prova, se lavori con basse tensioni ti consiglio di mettere sulle linee di alimentazione dei diodi TVS. Questi diodi si trovano sia in formato through hole sia in formato SMD (generalmente in package SMC).

Per le linee di alimentazione è comune selezionare questi diodi con una potenza di 1500W. Per quanto riguarda la protezione delle linee di alimentazione di 220V-250V si usa in genere un varistore (questo tipo di componente è in genere in formato through-hole)

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Considera di proteggere anche le linee di segnale che comunicano con l’esterno (comunicazione USB, comunicazione ethernet, comunicazione RS232 e RS485). Per la protezione delle linee di segnale esistono array di diodi TVS in formato SMD oppure transceiver che al loro interno integrano già i diodi TVS. Sia i diodi TVS che i varistori vanno messi vicino ai rispettivi pin del connettore di ingresso.

 

In questa prova è importante specificare come il dispositivo è collegato a terra.

Affinché questa prova venga superata, è importante che il dispositivo continui il normale funzionamento quando l’eccitazione è terminata: il dispositivo non si deve resettare oppure non deve essere necessario fornire di nuovo alimentazione per riprendere il normale funzionamento. Sono però ammessi temporanei malfunzionamenti quando è presente l’eccitazione.

Un’altra prova che viene normalmente effettuata è l’immunità agli impulsi veloci (sono chiamati Electrical Fast Transient o EFT). Questa prova serve per verificare il corretto funzionamento del sistema (hardware e firmware) quando ci sono disturbi di tipo induttivo. I disturbi ad esempio possono essere generati da motori e relè posti vicino al dispositivo o da ballast di lampade fluorescenti. La prova viene effettuata quando la lunghezza dei cavi di segnale in condizioni operative è maggiore a 3m

Un generatore produce gli impulsi e questi vengono applicati tra i due piani metallici del “capacitve clamp” Il cavo contenente i dati e l’alimentazione (se questa è in continua) viene fatto passare all’interno delle fessure del “Capacitve clamp” e così si crea appunto un accoppiamento capacitivo tra gli impulsi generati e le linee di segnale e di alimentazione.

Esistono diversi standard che definiscono la durata , la spaziatura e l’ampiezza in V degli impulsi. Lo standard più comune è definito dalla normativa IEC-61000-4-4. Secondo questo standard vengono definite due configurazioni: in una vengono generati una serie di impulsi con una frequenza di 5kHz e le serie di impulsi sono distanti 300ms. Nella seconda gli impulsi vengono generati con una frequenza di 100kHz.

La prova fallisce quando il dispositivo si resetta, oppure quando ci sono errori di comunicazione che non permangono quando il disturbo è terminato. Per il superamento della prova, infatti, sono ammessi temporanei malfunzionamenti che però devono scomparire quando il disturbo non è presente. Non è consentito l’intervento manuale (ad esempio reset maunale) per riprendere il corretto funzionamento

Anche in questo caso si tratta di una prova sul sistema complessivo che comprende sia una parte hardware sia una parte firmware e/o software.

                                       Principali strumenti usati nella prova di immunità agli impulsi

                         Spaziatura tra gli impulsi generati nella prova di immunità agli impulsi

Un ultimo test comunemente effettuato, è l’immunità a disturbi RF condotti. In questo caso il sistema viene disturbato con un’onda sinusoidale modulata con un segnale di 1kHz. Si esegue il test facendo variare la frequenza dell’onda sinusoidale tra 150kHz e 80MHz. In modo simile al test precedente, l’onda sinusoidale viene applicata al sistema attraverso un dispositivo chiamato EM-clamp: si realizza un accoppiamento induttivo-capacitivo tra il segnale e il cavo. Rispetto ai precedenti test, è richiesto che il dispositivo funzioni regolarmente per tutta la durata della prova.

Oltre agli accorgimenti citati prima, presta attenzione a come vengono filtrati i segnali di comunicazione (ad esempio RS485 e USB). Potrebbero influire sul corretto svolgimento della prova i valori dei condensatori tra una linea di segnale e massa.

 

Le prove discusse  fino ad ora sono le più comuni. Per alcune applicazioni potrebbero essere necessari anche altri tipi di test:  controllo sull’emissione di armoniche o di disturbi di tipo flicker nella rete elettrica, immunità al campo magnetico e immunità ai disturbi di tipo surge. Consulta il centro di riferimento accreditato specificando la modalità di funzionamento del tuo dispositivo per avere una lista completa dei test necessari.

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