Risoluzione dei problemi EMI causati da risonanze strutturali

Ti è successo? Durante la risoluzione di un problema di interferenza elettromagnetica (EMI), hai provato varie combinazioni di componenti e hai notato una riduzione del segnale di interesse. Ma un altro segnale di frequenza si è inaspettatamente alzato sopra la linea limite. Oppure hai introdotto un piano del telaio sul tuo circuito stampato (PCB), solo per scoprire che le emissioni irradiate sono peggiorate molto invece di migliorare. Questi sono i tipici casi di “accordatura delle risonanze di un circuito”.

La maggior parte delle emissioni EMI sono legate a risonanze strutturali. Le risonanze strutturali sono anche uno dei motivi principali per cui la compatibilità elettromagnetica (EMC) può essere mistificante. Inconsapevolmente, gli ingegneri spesso trascorrono giorni e mesi a mettere a punto le risonanze di un circuito aggiungendo elementi passivi come induttori e condensatori. A volte, hanno la fortuna di arrivare finalmente a una combinazione che gli dia il passaggio. Ma la maggior parte delle volte le soluzioni sono difficili da trovare.

È stata svolta un'enorme quantità di lavoro sul tema delle risonanze strutturali e una panoramica di questi lavori può essere trovata nel Riferimento 1. Nel Riferimento 1 sono presentati anche due casi di studio pratici per dimostrare i metodi per identificare, individuare e risolvere i problemi EMI che sono associati a risonanze strutturali.

L'ingegneria EMC spesso richiede che i problemi vengano risolti (ma non studiati) entro un tempo limitato. Pertanto, sono incoraggiate le tecniche che sono efficaci ma che fanno anche risparmiare tempo. Esistono indicatori che segnalano la presenza di risonanze strutturali e gli ingegneri possono imparare a utilizzare questi indicatori per individuare la struttura risonante e risolvere i problemi EMI. Questo articolo esplora anche alcune tecniche pratiche per la risoluzione dei problemi EMI causati da risonanze strutturali. Vengono presentati casi di studio per illustrare queste tecniche.

Affinché una struttura possa risuonare devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

Figura 1: Casi tipici di risonanze strutturali; (a) Due PCB con collegamento via cavo; (b) Due armadi con lo stesso punto di terra.

In generale, esistono tre metodi per individuare le risonanze strutturali che includono le tecniche analitiche, nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo.

Un approccio analitico richiede generalmente esperienza e know-how tecnico per modellare/simulare il sistema. Per i sistemi di piccole dimensioni con problemi noti, come il caso di studio presentato nel Riferimento 1, semplici calcoli matematici sono spesso sufficienti per fornire una stima della frequenza di risonanza del dispositivo sotto test (DUT). Spesso, un approccio analitico viene ottenuto mediante la simulazione 3D dell'onda intera o alcuni software EMC specializzati.

Il vantaggio dell'approccio analitico è che può fare una previsione prima che venga costruito un prototipo, rendendo questo approccio popolare nella progettazione e nello sviluppo di applicazioni automobilistiche, aerospaziali e spaziali. Spesso tali aziende dispongono di modelli di simulazione validati in passato e che possono essere facilmente modificati per un nuovo studio. Ma per le aziende che non dispongono di modelli esistenti, costruire una simulazione può essere un viaggio lungo e costoso.

Nel dominio della frequenza esistono due tecniche principali. La misurazione della potenza riflessa da un circuito di campo magnetico è discussa nel Riferimento 2 e lo stesso metodo è stato dimostrato nel Riferimento 1. Questo metodo richiede un piccolo circuito di campo magnetico per "annusare" strutture sospette, spesso a livello della scheda PC. Williams ha introdotto una misurazione in campo lontano utilizzando un analizzatore di spettro con un generatore di tracciamento (vedere Riferimento 3). Un segnale di riferimento viene iniettato nel DUT dall'uscita del generatore di tracciamento e viene utilizzata un'antenna per misurare il segnale di risposta. Questo metodo è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la terra del PCB risuona con l'involucro (chassis). Entrambi i metodi sono pratici e richiedono solo una piccola quantità di configurazione del test. Lo svantaggio di questi metodi è che spesso sono limitati all'indagine a livello di scheda PCB e non sono utili in sistemi di grandi dimensioni.

Nel dominio del tempo, viene spesso utilizzata la misurazione della corrente di risonanza con una sonda di monitoraggio della corrente RF quando un impulso viene iniettato nel sistema (vedere Riferimento 4). Questa è una tecnica efficace quando si tratta di risolvere problemi in sistemi di grandi dimensioni o in cui sono interconnessi più PCB.