Ridurre le interferenze elettromagnetiche nell’automotive

AUTOMOTIVE –

Un nuovo tipo di dispositivo consente ai progettisti di sistemi automotive di migliorare in modo significativo le caratteristiche di rumore dei propri prodotti.

È il layout del circuito stampato a determinare il successo o l'insuccesso di un alimentatore, a definire il comportamento funzionale, Emi e termico. Sebbene il layout di un alimentatore switching non abbia niente di oscuro, può capitare che venga trascurato nella fase iniziale di progettazione. Tuttavia, dovendo soddisfare i requisiti funzionali ed Emi, ciò che è adatto per la stabilità funzionale dell'alimentatore solitamente è adatto anche per le emissioni Emi. Creare un buon layout fin da subito non comporta costi aggiuntivi, anzi può contribuire a ridurli, evitando il ricorso a filtri Emi, schermature meccaniche, test Emi e revisioni dei circuiti stampati. In più si rischia di peggiorare potenziali problemi di interferenze e rumore nel caso in cui più regolatori switching Dc/Dc vengano collegati in parallelo ai fini della condivisione della corrente e d i una potenza di uscita maggiore. Se tutti i dispositivi operano (commutano) alla stessa frequenza, l'energia combinata generata da più regolatori in un circuito viene concentrata su una sola frequenza. La presenza di tale energia può diventare un problema, soprattutto se gli altri circuiti integrati della scheda ed altre schede di sistema sono molto vicini tra loro e sensibili a questa energia irradiata. Il problema si pone soprattutto nei sistemi automotive che sono densamente popolati e spesso collocati accanto a sistemi audio, Rf, bus Can e diversi sistemi radar.

Gestione delle emissioni di rumore
nei regolatori switching


Di solito in un ambiente automotive i regolatori switching sostituiscono i regolatori lineari ove siano richieste una bassa dissipazione di calore ed efficienza. In genere il regolatore switching è il primo componente attivo sulla linea di alimentazione in ingresso, pertanto influisce notevolmente sulle prestazioni Emi del circuito del convertitore completo. Esistono due tipi di emissioni Emi: condotte e radiate. Le emissioni condotte si manifestano nei cavi e nelle tracce collegati a un prodotto. Dato che il rumore è localizzato in un morsetto o connettore specifico del progetto, è possibile garantire la conformità ai requisiti relativi alle emissioni condotte in una fase relativamente precoce del processo di sviluppo grazie a un layout o a un filtro ben progettati. Le emissioni radiate, invece, sono tutta un'altra storia. Qualsiasi elemento sulla scheda che conduce corrente genera un campo elettromagnetico. Ogni traccia della scheda funge da antenna e ogni piano di rame è un risonatore. Qualsiasi cosa che non sia un'onda sinusoidale pura o una tensione Dc genera rumore su tutto lo spettro del segnale. Per quanto preciso possa essere un progetto, il progettista non sa mai veramente che effetti avranno le emissioni radiate finché il sistema non viene testato. E i test sulle emissioni radiate non possono essere ufficialmente effettuati finché il progetto non è praticamente completo. Spesso vengono usati dei filtri per ridurre le emissioni Emi attenuandone la potenza a una data frequenza o all'interno di intervallo di frequenze. Una parte di questa energia che viaggia attraverso lo spazio (radiata) viene attenuata aggiungendo schermi metallici e magnetici. La parte che passa nelle tracce del Pcb (condotta) viene smorzata aggiungendo perline di ferrite e altri filtri. Le interferenze elettromagnetiche non possono essere eliminate, però possono essere attenuate a un livello accettabile da altri componenti di comunicazione e digitali. Inoltre molti organi di regolamentazione impongono appositi standard per garantire la conformità alle norme. I componenti dei filtri di ingresso moderni con tecnologia a montaggio superficiale offrono prestazioni migliori rispetto alle parti a foro passante, caratteristica che viene tuttavia peggiorata dall'aumento delle frequenze di commutazione dei regolatori switching. Un rendimento maggiore e tempi minimi di accensione e spegnimento bassi comportano un residuo armonico più elevato dovuto a transizioni dell'interruttore più rapide. A ogni raddoppio della frequenza di commutazione le interferenze elettromagnetiche peggiorano di 6 dB, mentre tutti gli altri parametri (come la capacità dell'interruttore e i tempi di transizione) rimangono costanti. Le Emi sulla banda larga si comportano come un filtro passa-alto del primo ordine con emissioni di 20 dB più elevate se la frequenza di commutazione aumenta di dieci volte. I progettisti di Pcb esperti usano loop di corrente pulsante (hot loop) piccoli e layer di massa di schermatura il più possibile vicino al layer attivo. Ciò nonostante le piedinature dei dispositivi, la struttura del package, i requisiti relativi alla progettazione termica e le dimensioni del package, necessari per un adeguato accumulo di energia nei componenti di disaccoppiamento, richiedono un minimo di dimensioni per gli hot loop. Per complicare ulteriormente le cose, nei tipici Pcb planari, l'accoppiamento magnetico o tipo trasformatore tra le tracce oltre i 30 MHz sminuisce tutto il lavoro del filtro perché, più le frequenze armoniche sono alte, più l'accoppiamento magnetico indesiderato diventa importante.

Una nuova soluzione ai problemi Emi

La soluzione migliore per risolvere problemi di interferenze elettromagnetiche consiste nell'usare una scatola schermata per il circuito completo. Questa soluzione tuttavia comporta un aumento dei costi, più spazio occupato sulla scheda, una gestione termica e un collaudo più complessi e ulteriori spese per il montaggio. Un altro metodo molto usato prevede un rallentamento dei fronti di commutazione che, tuttavia, comporta una diminuzione del rendimento, un aumento dei tempi minimi di accensione e spegnimento e dei relativi tempi morti e compromette la velocità del loop di controllo della corrente.
Il regolatore presentato di recente da Linear Technology, l'LT8614 Silent Switcher, offre gli effetti desiderati della scatola schermata ed elimina tutti gli svantaggi citati in precedenza. L'LT8614 inoltre richiede una corrente di riposo IQ di appena 2,5 µA; questa è la corrente di alimentazione totale consumata dal dispositivo, in regolazione senza carico. La bassissima tensione di dropout è limitata solo dall'interruttore superiore interno. A differenza di altre soluzioni alternative, la RDSON dell'LT8614 non è limitata dal duty cycle massimo e dai tempi di spegnimento minimi. Il dispositivo salta i cicli nella regione di dropout ed esegue solo quelli minimi richiesti in modo da mantenere la tensione di boost dell'interruttore superiore interno. Allo stesso tempo la tensione d'esercizio d'ingresso minima è di soli 2,9 V (3,4 V massima), consentendo la fornitura di un rail di 3,3 V con la parte in dropout. L'LT8614 ha un rendimento maggiore dell'LT8610/11 in presenza di correnti elevate, perché la resistenza di commutazione totale è inferiore. Il dispositivo può anche essere sincronizzato su una frequenza esterna compresa tra 200 KHz e 3 MHz. Le perdite di commutazione Ac sono basse, quindi il dispositivo può funzionare con frequenze di commutazione elevate con una perdita di rendimento minima. Nelle applicazioni sensibili alle interferenze elettromagnetiche, come quelle realizzate in molti ambienti automotive, è possibile ottenere un buon equilibrio e l'LT8614 può funzionare sia sopra, sia sotto la banda Am, con emissioni Emi ancora più contenute. In una configurazione con una frequenza di commutazione di 700kHz, la scheda demo dell'LT8614 standard non supera i livelli di rumore di fondo previsti dalla norma Cispr25, Classe 5. Le misurazioni sono state rilevate in una camera anecoica in presenza delle seguenti condizioni: 12 Vin, 3,3 Vout a 2A, con una frequenza di commutazione fissa di 700kHz. Per confrontare il dispositivo LT8614 Silent Switcher con un altro regolatore switching all'avanguardia, la parte è stata misurata rispetto all'LT8610. Il test è stato eseguito in una cella Gtem usando lo stesso carico, la stessa tensione di ingresso e lo stesso induttore sulle schede demo standard di entrambe le parti. Come si può vedere, con la tecnologia Silent Switcher dell'LT8614 è possibile ottenere un miglioramento di 20 dB rispetto alle pur buone prestazioni Emi dell'LT8610, soprattutto nella zona delle alte frequenze di difficile gestione. Questo consente la realizzazione di progetti più semplici e compatti, in cui l'alimentatore switching LT8614 ha bisogno di un filtraggio inferiore rispetto ad altri sistemi sensibili del progetto complessivo. Nel dominio del tempo l'LT8614 mostra un comportamento molto positivo sui fronti dei nodi di commutazione. Perfino a 4ns/div il regolatore LT8614 Silent Switcher mostra un ringing molto basso. L'LT8610 ha un buon ringing attenuato, ma l'energia accumulata nell'hot loop è maggiore che nell'LT8614 (nel Ch2). Il nodo di commutazione con un ingresso di 13,2V ha uno scostamento estremamente basso rispetto all'onda quadra ideale dell'LT8614, indicata nel Ch2. Tutte le misure nel dominio del tempo sono effettuate con sonde P6139A Tektronix da 500 MHz, con un collegamento schermato sulla punta con il piano Gnd del Pcb, sulle schede demo standard. Oltre alla tensione di ingresso massima assoluta di 42 V, adatta per gli ambienti automotive, un altro aspetto molto importante di questi dispositivi è il comportamento in dropout Spesso le alimentazioni logiche da 3,3 V vanno supportate da condizioni di avviamento a freddo. In questo caso il regolatore LT8614 Silent Switcher mantiene un comportamento ideale molto simile a quella della famiglia LT861x. A differenza delle soluzioni alternative con soglie UVLO maggiori e blocchi del duty cycle massimo, i dispositivi LT8610/11/14 funzionano fino a 3,4 V e iniziano a saltare i cicli appena necessario. In questo modo si ottiene il comportamento in dropout ideale. Il basso on-time minimo dell'LT8614 (30ns) consente di raggiungere rapporti di step-down elevati anche con frequenze di commutazione alte. Il dispositivo è quindi in grado di fornire tensioni del core con un solo step-down da ingressi fino a 42V.

Un passo avanti

È evidente che il problema delle interferenze elettromagnetiche negli ambienti automotive richiede la massima attenzione nella fase iniziale del progetto se si vuole essere sicuri di superare i test Emi una volta realizzato il sistema. Prima non bastava scegliere il circuito integrato adatto per garantirlo, ma con l'introduzione dell'LT8614 la situazione è cambiata. Il regolatore LT8614 Silent Switcher riduce di oltre 20 dB le interferenze elettromagnetiche da regolatori switching all'avanguardia e, allo stesso tempo, migliora l'efficienza di conversione. Nel range di frequenze superiori a 30 MHz si ottiene un miglioramento delle Emi di dieci volte, senza compromettere i tempi minimi di accensione e spegnimento in commutazione né il rendimento. Il fatto che non occorrano componenti speciali o schermature particolari rappresenta un notevole passo avanti nella progettazione dei regolatori switching. È proprio questo tipo di dispositivo che consente ai progettisti di sistemi automotive di migliorare in modo significativo le caratteristiche di rumore dei propri prodotti

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