Alimentatore a commutazione è un termine generico che descrive un generatore di potenza che utilizza un circuito per convertire una tensione Dc in una tensione Ac che può essere ulteriormente elaborata per trasformarsi in un'altra tensione Dc. Gli alimentatori a commutazione possono essere classificati come alimentatori Ac-Dc (con ingresso Ac) e convertitori Dc-Dc (ingresso in Dc) in quanto entrambi integrano la funzione di conversione da Dc in Ac per la trasformazione della tensione. A causa delle caratteristiche intrinseche di progetto, gli alimentatori a commutazione generano interferenze elettromagnetiche composte da segnali di frequenze multiple. I convertitori Dc-Dc convertono la tensione Dc in ingresso in una tensione Ac il cui valore può essere aumentato o diminuito mediante un trasformatore. Anche gli alimentatori Ac-Dc utilizzano circuiti ad alta frequenza per la conversione di tensione. In entrambi i casi la tensione Ac interna non è un'onda sinusoidale pura ma spesso è un'onda quadra che può essere rappresentata mediante una serie di Fourier, che consiste nella somma algebrica di molte onde sinusoidali con frequenze collegate alle componenti armoniche. Questi segnali a più frequenze sono la fonte delle emissioni condotte e irradiate che possono causare interferenze sia alle apparecchiature all'interno del quale l'alimentatore è installato sia alle apparecchiature poste nelle vicinanze che possono essere sensibili a queste frequenze.
Leggi, regolamenti e cooperazione internazionale
Lo spettro elettromagnetico è stato ampiamente utilizzato in applicazioni di broadcasting, telecom e comunicazione dati per l'emissione intenzionale di campi elettromagnetici. Al fine di proteggere lo spettro elettromagnetico e assicurare la compatibilità dei sistemi elettrici ed elettronici collocate all'interno di questo spettro, gli enti normatori hanno definito appositi standard per controllare le interferenze Emi irradiate e condotte nelle apparecchiature elettroniche. In Europa, uno degli standard principali è Cispr 22, adottato dalla maggior parte dei Paesi della Comunità Europea, mentre negli Stati Uniti l'Ente preposto è l'Fcc (Federal Communications Commission). Le norme Fcc Part 15 classificano gli apparecchi elettronici digitali in due classi: classe A (per ambienti commerciali, industriali o business) e classe B (per l'uso in ambiente residenziale). Gli standard relative alle emissioni sono più stringenti per i dispositivi in classe B perché è più probabile che essi vengano collocati in prossimità di altri dispositive elettronici utilizzati in un ambiente domestico. I regolamenti Cispr 22 sono stati armonizzati con gli standard Fcc e, con alcune eccezioni di lieve entità, possono essere utilizzati per certificare un'apparecchiatura elettronica digitale. L'armonizzazione richiede che il medesimo standard sia utilizzato per le emissioni sia irradiate sia condotte. Le misure a frequenze superiori a 1 GHz devono essere effettuate in conformità alle regole e ai limiti previsti dalle norme Fcc perchè Cispr 22 non prevede limiti specifici per le frequenze superiori a 1 GHz. I limiti relativi alle emissioni irradiate/condotte specificate dalle norme Part 15 di Fcc e dallo standard Cispr 22 differiscono di pochi dB gli uni dagli sulle frequenze prese in considerazione.
Collaudo e conformità Emc
Il collaudo e la conformità Emc sono eseguiti secondo le procedure di test definite dallo standard Ansi: questo standard non prevede limiti - generici o relativi a un prodotto specifico - per quel che concerne le emissioni irradiare e condotte. A questo punto val la pena notare che il collaudo è eseguito a livello dell'intero sistema, e non solo a livello del modulo di potenza. Anche gli alimentatori esterni che, come prodotti singoli, risultano conformi alle normative devono essere collaudati insieme al sistema finale.
Emi/Emc: nozioni, sorgenti e frequenze associate
Le interferenze Emi possono essere in primo luogo classificate come interferenze transitorie o continue. Nel caso di interferenze Emi di natura transitoria, la sorgente emette un impulso di energia di breve durata invece di un segnale continuo. Le sorgenti possono essere di diverso tipo: circuiti elettrici a commutazione, scariche elettrostatiche, fulmini e picchi (surge) sulle linee di potenza. Interferenze elettromagnetiche transitorie di tipo ripetitivo possono essere provocate da motori elettrici, sistemi di accensione dei motori a benzina e commutazioni continue di circuiti digitali. Le interferenze di tipo continuo si verificano quando la sorgente emette un segnale continuo formato dalla frequenza fondamentale della sorgente e dalle armoniche associate. Le interferenze di questo tipo possono essere ulteriormente suddivise in funzione della banda di frequenza. Le frequenze comprese tra alcune decine di Hz fino a 20 kHz sono classificate come frequenze audio. Le interferenze a radiofrequenza si verificano nella banda di frequenza che parte da 20 KHz e si estende a un limite in continuo aumento a causa dell'avvento delle nuove tecnologie.
Accoppiamento Emi
L'accoppiamento avviene per conduzione, radiazione o induzione. Le emissioni Emi condotte sono misurate fino a una frequenza di 30 MHz. Le correnti inferiori a 5 MHz sono per la maggior parte di modo differenziale mentre quelle superiori a 5 MHZ sono solitamente correnti di modo comune. La corrente di modo differenziale e la corrente prevista su una coppia di fili, ovvero la corrente parte dalla sorgente percorrendo uno dei conduttori e ritorna attraverso l'altro conduttore. Il rumore è misurato su ciascun conduttore rispetto a un punto di riferimento stabilito. Le correnti di modo differenziale scorrono tra l'alimentatore e la sua sorgente (o carico) attraverso i conduttori di potenza (power lead) e sono indipendenti dalla massa. Le correnti di modo comune, invece, scorrono nella medesima direzione, in ingresso o in uscita dall'alimentatore a commutazione, e tornano alla sorgente attraverso la massa. In molti casi il rumore di modo comune è condotto attraverso la capacità parassita nel circuito ma può anche fluire attraverso la capacità esistente tra la massa e il contenitore. L'accoppiamento irradiato si verifica quando una sorgente di interferenze e una vittima (ovvero l'apparato disturbato) agiscono come antenne radio. La sorgente irradia un'onda elettromagnetica attraverso lo spazio aperto che esiste tra la sorgente stessa e la vittima e viene ricevuta da quest'ultima. L'accoppiamento induttivo (di tipo elettrico o magnetico) è abbastanza raro rispetto agli altri due tipi di accoppiamento e si manifesta quando la distanza tra sorgente e vittima è ridotta. L'induzione elettrica si verifica quando si instaura un campo elettrico variabile tra due conduttori che provoca una variazione di tensione ai capi dello spazio di separazione. L'induzione magnetica, invece, si verifica quando si instaura una campo magnetico variabile tra due conduttori paralleli, provocando un cambiamento della tensione lungo il conduttore ricevente. La caratterizzazione delle problematiche Emi richiede una chiara comprensione della sorgente dell'interferenza e del segnale, del percorso di accoppiamento con la vittima e la natura di quest'ultima, sia dal punto di vista elettrico sia in termini di importanza del malfunzionamento provocato. Il rischio rappresentato da insidie di questo tipo è solitamente di natura statistica: per tale motivo gran parte del lavoro svolto per la caratterizzazione di queste minacce e la messa a punto degli standard punta a ridurre a un livello accettabile le probabilità che si verifichino interferenze Emi piuttosto che alla loro eliminazione.
Interferenze Emi condotte
Per attenuare in maniera efficace le emissioni condotte, è indispensabile affrontare separatamente il rumore di modo differenziale e quello di modo comune. Il rumore di modo differenziale può essere solitamente eliminato collegando condensatori di bypass direttamente tra le linee di potenza e di ritorno dell'alimentatore a commutazione. Le linee di potenza che richiedono il filtraggio potrebbero essere quelle ubicate all'ingresso o all'uscita dell'alimentatore a commutazione. I condensatori di bypass su queste linee devono essere fisicamente posizionati adiacenti ai terminali della sorgente che genera il rumore per garantire una maggior efficacia. L'attenuazione alle frequenze più basse delle correnti di modo differenziale attorno alla frequenza di commutazione fondamentale della sorgente che genera il rumore potrebbe richiedere l'uso di condensatori di bypass caratterizzati da un valore di capacità più elevato: ciò significa che i condensatori ceramici potrebbero non essere idonei allo scopo. I condensatori ceramici con capacità fino a 22 μF possono essere adatti per il filtraggio ai capi delle uscite a più bassa tensione degli alimentatori a commutazione ma non sono idonei per quegli alimentatori che potrebbero essere soggetti a picchi di tensione di 100 V. Per applicazioni di questo tipo sono impiegati condensatori elettrolitici, caratterizzati da valori di capacità e tensione nominale più elevati. Per attenuare in maniera efficace la corrente di modo differenziale sia alla frequenza di commutazione fondamentale più bassa sia alle frequenze armoniche più elevate i filtri di ingresso di modo differenziale sono solitamente formati da una combinazione di condensatori elettrolitici e ceramici. Un'ulteriore soppressione delle correnti di modo differenziale può essere ottenuta aggiungendo un induttore in serie con l'alimentazione principale in modo da formare un filtro passa basso in modalità differenziale di tipo L-C a singolo stadio con il condensatore di bypass. Per contro, è possibile sopprimere in maniera efficace le correnti condotte di modo comune collegando i condensatori di bypass tra ogni linea di potenza dell'alimentatore a commutazione e la massa. Queste linee di potenza possono trovarsi all'ingresso e/o all'uscita dell'alimentatore a commutazione.
Un'ulteriore soppressione delle correnti di modo comune può essere ottenuta aggiungendo una coppia di induttori di arresto accoppiati in serie con ciascuna alimentazione principale. L'elevata impedenza degli induttori accoppiati "forza" le correnti di modo comune a scorrere attraverso i condensatori di bypass.
Interferenze Emi irradiate
Queste interferenze possono essere soppresse riducendo l'impedenza Rf e riducendo l'area del loop (anello) dell'antenna. Ciò può essere ottenuto minimizzando l'area del loop chiuso formato dalla linea di potenza e il suo percorso di ritorno. L'induttanza di una pista di una scheda Pcb può essere minimizzata facendo la pista più ampia possibile e instradandola parallelamente al suo percorso di ritorno. In modo del tutto analogo, poiché l’impedenza di un anello è proporzionale alla sua area, la riduzione dell'area compresa tra la linea di potenza e il suo cammino di ritorno contribuirà a diminuire ulteriormente la sua impedenza. All’interno di una scheda a circuito stampato il modo migliore per ridurre questa area è posizionare una sopra l’altra la linea di potenza e il percorso di ritorno su strati adiacenti della scheda. A questo punto val la pena ricordare che la riduzione dell’area del loop tra una linea di potenza e il suo cammino di ritorno non solo diminuisce l’impedenza Rf, ma limita anche l’efficacia dell’antenna grazie al fatto che un’area di minori dimensioni produce un campo magnetico ridotto. Oltre a ciò, un piano di massa posizionato sulle superfici esterne della scheda Pcb contribuisce a ridurre significativamente le interferenze Emi irradiate, soprattutto se posizionato direttamente al di sotto della sorgente che genera il rumore. Per diminuire ulteriormente il rumore irradiato è possibile utilizzare una schermatura metallica: la sorgente che genera il rumore deve essere posizionata all'interno di un alloggiamento conduttivo connesso a massa, mentre l'interfacciamento con l'ambiente esterno avviene attraverso filtri in linea. Inoltre potrebbe essere necessario ricollegare a massa i condensatori di bypass di modo comune sull'alloggiamento conduttivo.
Tecniche di attenuazione delle interferenze Emi a livello di sistema
Sebbene la maggior parte degli alimentatori a commutazione sia stata progettata per soddisfare gli standard relativi alle interferenze Emi quando utilizzati come apparecchi autonomi, è bene tener presente che il sistema stesso deve essere progettato in modo da generare un profilo Emi il più ridotto possibile per soddisfare gli standard che regolano questa materia. Linee di segnali, scheda Pcb e componenti a stato soldo sono alcune delle sezioni all'interno di un sistema per le quali si devono adottare le procedure di attenuazione delle interferenze Emi.
