Un'introduzione alla misurazione delle EMI e dell'EMC degli alimentatori – Parte 2: EMI irradiate

La Parte 1 di questa serie di blog si è occupata principalmente della misurazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) condotte. Nella Parte 2 verrà presa in esame la misurazione delle EMI irradiate.

Le EMI irradiate sono costituite dall'energia elettromagnetica indesiderata che viene trasmessa nello spazio libero, come onde trasversali elettromagnetiche o tramite accoppiamento capacitivo o induttivo. I conduttori di un circuito stampato che trasportano segnali che cambiano nel corso del tempo irradiano energia elettromagnetica nello spazio. Ogni traccia di un circuito stampato è una vera e propria antenna in grado di trasmettere o ricevere segnali. Se non sono progettati correttamente, gli alimentatori a commutazione con alte tensioni di manovra e correnti possono creare delle EMI (Figura 1).

Figura 1: Fra i segnali che si incontrano in un alimentatore a commutazione vi sono forme d'onda di tensione e corrente a banda larga con alte velocità di variazione, così come segnali a banda stretta come quelli associati alla frequenza di commutazione e segnali oscillatori come il ringing. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I test delle EMI irradiate richiedono la misurazione dell'intensità del campo elettromagnetico dei segnali EMI generati dal dispositivo sotto test (DUT) che sono inerenti alle tensioni di manovra e alle correnti ad alta velocità di variazione.

I test di conformità delle EMI irradiate vengono eseguiti in una camera anecoica che isola i segnali dal DUT (Figura 2). L'antenna di rilevamento è mantenuta a una distanza specifica dal DUT, in genere a un metro. Sono comunemente impiegate antenne periodiche logaritmiche e biconiche.

Figura 2: I test di conformità delle EMI irradiate si svolgono in una camera anecoica schermata dove il DUT è isolato dalle radiazioni RF esterne. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il DUT viene posizionato su un tavolo sopra un piano di massa. Queste particolari emissioni tendono a essere direzionali, pertanto il DUT si trova su una piattaforma girevole per costituire un'antenna di rilevamento con una buona linea di vista. L'antenna è mobile e ha un'altezza regolabile. Durante i test, l'orientamento che produce la più alta risposta misurata viene annotato e usato come base per il test di conformità. I cavi verso il DUT fanno parte del test e sono inseriti in un cablaggio.

Il laboratorio di test scansionerà la banda di frequenza di interesse usando un analizzatore di spettro o un ricevitore EMI e cercherà le emissioni vicine ai limiti di test. La procedura riguarderà tutti gli orientamenti del DUT e le polarizzazioni dell'antenna. Il laboratorio di test si concentra su ciascuna di queste emissioni e quantifica l'ampiezza dell'intensità del campo.

I risultati di un tipico test delle emissioni di radiazione su un convertitore buck automotive LM61495Q3RPHRQ1 da 10 ampere (A) di Texas Instruments sono riportati nella Figura 3.

Figura 3: Viene mostrato il tipico test delle emissioni irradiate secondo CISPR 25 Classe 5 per il convertitore buck LM61495Q3RPHRQ1 da 10 A. Sono tracciati i limiti di test per la risposta del rilevatore di picco, quasi-picco e della media. Sono raffigurati i dati acquisiti per le risposte di misurazione di picco (blu) e della media (viola). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La specifica ha limiti di test per le risposte del rilevatore di picco, quasi-picco e della media. La risposta quasi-picco è una risposta elaborata che soppesa i picchi di ampiezza per la frequenza di occorrenza. Vengono tracciate le risposte misurate di picco e media. Per essere conformi, ognuna deve avere ampiezze inferiori al limite di test appropriato.

Dato che i test di conformità sono un processo costoso e che richiede tempo, la maggior parte dei progettisti esegue test di pre-conformità al di fuori della stanza schermata utilizzando misurazioni near-field. Le misurazioni near-field vengono prese entro 30,5 centimetri (cm) dal DUT utilizzando sonde near-field, come il kit T3NFP3 di Teledyne LeCroy. Le sonde near-field rilevano i campi elettrici o magnetici (Figura 4). Inoltre, diversamente dalla maggior parte delle sonde, quelle near-field non sono calibrate e vengono utilizzate per misurazioni relative e per individuare le fonti di emissione.

Figura 4: Il kit della sonda near-field T3NFP3 di Teledyne LeCroy contiene tre sonde magnetiche e una del campo elettrico. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy)

Il kit della sonda near-field T3NFP3 contiene tre sonde magnetiche e una del campo elettrico. Queste sonde fungono da antenne a banda larga che rilevano le emissioni irradiate nell'intervallo da 300 kilohertz (kHz) a 3 gigahertz (GHz). Le sonde magnetiche utilizzano una struttura ad anello e sono disponibili nei diametri di 20, 10 e 5 millimetri (mm). Gli anelli più grandi hanno una maggiore sensibilità e sono ideali per rilevare i segnali irradiati. Gli anelli più piccoli sono meno sensibili ma, dal punto di vista geometrico, sono più precisi per aiutare a trovare la fonte dell'irraggiamento. La sensibilità della sonda è massima se il campo magnetico è ad angolo retto rispetto al piano dell'anello. Questa sensibilità angolare viene usata per stabilire la direzione verso la sorgente.

La sonda del campo elettrico è un'antenna marconiana ed è importante orientarla perpendicolare al piano della misurazione. La sonda del campo elettrico aiuta a identificare le sorgenti di tensione e quelle indeterminate.

PR262 di B&K Precision è simile al T3NFP3, ma in più ha un preamplificatore da 40 dB per rilevare segnali molto bassi (Figura 5). Copre un campo di frequenza da 9 kHz a 3,2 GHz.

Figura 5: Il set PR262 è simile al T3NFP3, ma in più ha un preamplificatore da 40 dB per rilevare segnali molto bassi. (Immagine per gentile concessione di B&K Precision)

L'uscita della sonda near-field è collegata all'ingresso da 50 Ohm dello strumento di misurazione. La testa della sonda, che è isolata, viene fatta passare sulla scheda a circuito stampato mentre si controlla la risposta per l'indicazione di una sorgente irradiata. Sia la sonda magnetica che quella di campo elettrico sono utilizzate per verificare la sorgente del segnale delle EMI irradiate.

Conclusione

Dato che ogni traccia su un circuito stampato è una vera e propria antenna che irradia EMI, è fondamentale eseguire test di pre-conformità utilizzando sonde near-field come T3NFP3 e PR262. Queste sonde possono aiutare a rilevare e isolare rapidamente la sorgente delle EMI così da poterle mitigare prima di procedere a test di conformità formali e costosi.