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meccanismi di accoppiamento EMC / EMI di base relativi alla sorgente e alla vittima

Integrare l’analisi ECM automatizzata nel progetto di PCB layout

on 6 Marzo 2018

La conformità alla compatibilità elettromagnetica (EMC) è una della condizioni necessarie per il rilascio dei prodotti elettronici sul mercato. I limiti alle emissioni – sotto forma di radiazioni o di  conduzione – che un dispositivo è autorizzato a produrre sono fissati da organismi normativi come la Federal Communications Commission (FCC) e la Commissione elettrotecnica internazionale (IEC). I produttori automobilistici e aerospaziali possono stabilire standard ancora più severi per i propri fornitori. Dunque se un prodotto non supera i test di conformità EMC per il mercato di destinazione, il prodotto non può essere venduto.

Nonostante sia nota l’importanza di garantire che i prodotti siano conformi, da questo punto di vista, molti team trascurano l’analisi EMC durante la progettazione. Prevale infatti la percezione che l’analisi EMC durante il layout di PCB possa essere un’attività che richiede molto tempo, che sia difficile da configurare correttamente e che i risultati siano difficili da interpretare.

Per quanto riguarda l’analisi durante la progettazione del PCB, l’approccio seguito storicamente consiste nel focalizzarsi sulla Signal Integrity (SI) e sulla Power Integrity (PI), rimandando  l’analisi EMC a un’esecuzione manuale post-fabbricazione, in base ai risultati del test del prodotto reale. Spesso dunque non si tiene conto del fatto che l’analisi EMC automatizzata durante la fase di progettazione offre l’opportunità di evitare il fallimento del test di conformità EMC dopo la fabbricazione.

L’attuale generazione di strumenti ECAD offre funzionalità di analisi EMC facili da usare, con controlli delle regole ben documentati, che spesso includono una spiegazione per ogni principio e consigli su come affrontare i problemi. È il caso, ad esempio di HyperLynx DRC. L’aggiunta dell’analisi EMC nei punti appropriati durante il disegno del layout del PCB, può ridurre la necessità di riprogettazioni che influiscono sul costo di sviluppo del prodotto e sul tempo complessivo di commercializzazione (FIGURA 1) .

Analisi EMC durante il layout del PCB

FIGURA 1. Analisi EMC durante il layout del PCB

L’EMC può essere un argomento difficile da affrontare, specie per i nuovi progettisti o comunque per i meno esperti in materia. Spesso c’è confusione sulla differenza tra compatibilità elettromagnetica (CEM) ed interferenze elettromagnetiche (EMI). Dunque è bene fare chiarezza su questo punto.

Differenze tra compatibilità elettromagnetica (EMC) e interferenza elettromagnetica (EMI)

L’EMC è generalmente definita come la capacità di un prodotto di funzionare nel suo ambiente senza introdurre disturbi elettromagnetici. In particolare il prodotto deve:

  • tollerare un grado dichiarato di interferenza;
  • non generare più di una quantità dichiarata di interferenze;
  • essere auto-compatibile.

L’EMI è generalmente definita come un disturbo che colpisce un circuito elettrico a causa dell’induzione elettromagnetica o della radiazione elettromagnetica.

Per semplificare ulteriormente le due definizioni, l’EMC è la vulnerabilità del prodotto per l’ambiente e l’EMI è ciò che il prodotto introduce nell’ambiente (FIGURA 2).

meccanismi di accoppiamento EMC / EMI di base relativi alla sorgente e alla vittima

FIGURA 2. I quattro meccanismi di accoppiamento EMC / EMI di base relativi alla sorgente e alla vittima

L’analisi EMC durante il layout del PCB può essere un’attività che richiede molto tempo e che è difficile da configurare e configurare correttamente, con risultati difficili da interpretare. Ma l’alternativa – ovvero la rinuncia alle analisi automatizzate in-design in attesa di testare il prodotto reale dopo la fabbricazione – potrebbe essere molto più dispendiosa, in termini di tempo e denaro. Diversi studi suggeriscono che il tasso di passaggio per la prima volta al test EMC è circa del 50%. Inoltre, il fallimento della conformità EMC è stato citato come la seconda causa principale di riprogettazione nel settore automobilistico. Dato un guasto EMC, saranno necessari uno o più riprogettazioni, che incidono sui costi di sviluppo del prodotto e sul time-to-market complessivo.

Analisi ‘Shift’

In ambito ingegneristico, il termine “spostamento a sinistra” è spesso usato per descrivere l’atto di spostare una certa attività dall’ultima fase del processo di progettazione a una fase precedente, cioè lungo l’asse cartesiano del tempo. In questo caso, l’analisi EMC che dovrebbe essere eseguita in base ai risultati del test EMC post-fabbricazione, viene spostata ed eseguita in punti appropriati durante la fase di layout del PCB, utilizzando una soluzione integrata. L’obiettivo di spostamento a sinistra è quello di ridurre le iterazioni nel corso del processo progettuale e garantire che il flusso generale sia più efficiente. Fondamentalmente, ogni volta che l’analisi viene eseguita durante le varie fasi del layout PCB, il processo di progettazione generale migliora. Maggiore è il grado di spostamento applicato, maggiore è il beneficio (FIGURA 3) .

Spostamento a sinistra dell'analisi EMC

FIGURA 3. Spostamento a sinistra dell’analisi EMC

L’alternativa – cioè l’ispezione manuale per problemi EMC – non solo richiede più tempo. È anche soggettiva, potenzialmente inaccurata e soggetta a errori. Spostando l’analisi EMC su un processo automatizzato in-design, il tempo di ciclo per determinare e risolvere i problemi EMC non è più soggetto ad influenza esterna. Più l’analisi è vicina al progettista, più spesso viene eseguita e più facile sarà rilevare e correggere i problemi in anticipo durante il processo di progettazione.

Presto e spesso

Dato che un singolo miglioramento del design può ridurre sia le emissioni elettromagnetiche che la suscettibilità, un’analisi eseguita in anticipo e spesso, in fasi appropriate della progettazione del layout del PCB, può fornire un vantaggio significativo. Molti team di progettazione dedicano uno sforzo significativo a contenere potenziali problemi EMC / EMI, piuttosto che investire tempo per utilizzare l’analisi per eliminarli. L’attuale generazione di strumenti ECAD include funzionalità in grado di eseguire vari controlli di regole EMC ed EMI sia sul posizionamento che sul routing per supportare la progettazione ottimale del layout. Nel migliore dei casi, lo strumento ECAD utilizzato per il PCB layout fornirà funzionalità di analisi EMC dove:

  • ogni regola è ben documentata;
  • il principio di ogni regola viene spiegato;
  • vengono forniti esempi che includono diagrammi descrittivi di ogni configurazione richiesta;
  • vengono forniti consigli su come correggere i problemi.

Durante l’analisi EMC / EMI incorporata all’interno della progettazione possono essere incluse tutte le problematiche più significative, senza che l’utente abbia bisogno di possedere una conoscenza approfondita delle regole EMC / EMI.

La TABELLA 1 è un esempio di elementi che dovrebbero essere controllati utilizzando l’analisi EMC durante varie fasi del PCB layout. Si noti che in alcuni casi lo stesso oggetto viene controllato durante più di una fase del layout. Ciò non implica il controllo dello stesso parametro due volte, ma piuttosto che, con il progredire della progettazione, potrebbe essere necessario ripetere l’analisi. Ad esempio, si consideri il numero massimo di vie per una net. I risultati di un’analisi dopo l’instradamento di connessioni critiche potrebbero cambiare in seguito, nel ciclo di progettazione, dopo l’aggiunta di piani di alimentazione e di messa a terra, insieme a connessioni non critiche.

Elementi EMC / EMI da analizzare durante ciascuna fase di progettazione

TABELLA 1. Elementi EMC / EMI da analizzare durante ciascuna fase di progettazione

I risultati dell’analisi EMC possono essere estremamente accurati con il cross-probing dai risultati al layout e con i consigli su come correggere un problema. Le regole base di solito non richiedono alcuna configurazione. Per le regole più avanzate, tuttavia, in genere è necessario. Pertanto, i risultati dipenderanno in qualche modo dall’esperienza EMC del team di progettazione.

[Articolo tratto da: Craig Armenti, Adding Automated EMC Analysis to PCB Layout, Printed Circuit Design & Fab]

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