Come utilizzare i manicotti di ferrite per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI)

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Si sente sempre dire, per indicare una cosa non troppo difficile, che non è come ingegneria nucleare. Forza Giovanni, finisci le tabelline, non occorre mica essere un ingegnere nucleare per farlo! In questo periodo si potrebbe benissimo sostituire questo termine con “interferenze elettromagnetiche” o EMI. Le EMI sono familiari a tutti, anche se molti ne hanno solo una conoscenza superficiale. Fin qui abbiamo parlato di corretta messa a terra, circuiti AC/DC, instradamento ad alta velocità, e instradamento per coppie differenziali. In questo articolo andremo ad analizzare come ridurre le EMI utilizzando i manicotti di ferrite. I nuclei di ferrite sono complicati, ecco perché è importante comprendere prima la teoria su cui si basano. La maggior parte dei componenti elettronici sono di tipo “plug and play”; al contrario le ferriti vanno progettate nel sistema. Una volta compresa la teoria è facile passare poi ad applicazioni pratiche, come filtri LC, separazioni dei piani di massa e alimentazione, e filtraggio dei disturbi.

 

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Filtri LC in ferrite

I progettisti spesso considerano i manicotti di ferrite come filtri passa-basso. In realtà essi bloccano le alte frequenze ma solo in una banda ben specifica. Al di sopra di tale banda la loro frequenza capacitiva intrinseca prende il sopravvento. Anche se un manicotto di per sé non può costituire un filtro passa-basso lo può diventare quando viene combinato con un condensatore di bypass. In questo modo si ottiene, essenzialmente, un filtro LC (induttore e condensatore). Uno dei problemi principali quando si analizza come utilizzare i manicotti di ferrite è la risonanza LC.

Come prima cosa, se usate un manicotto di ferrite nella linea di alimentazione del circuito, vi occorre un condensatore di bypass. A basse frequenze i manicotti di ferrite si comportano come induttori che si oppongono ai cambiamenti nella corrente. Questo significa che se il vostro circuito integrato sta cercando di prelevare un picco di corrente, il manicotto opporrà resistenza e può persino compromettere l’operatività del circuito. Il ruolo del condensatore di bypass è quello di accumulare la carica per fornire questi picchi di potenza. Utilizzate un condensatore di bypass è sempre una buona idea.

Una volta posizionato il condensatore e la ferrite potete iniziare a filtrare le alte frequenze. Un manicotto di ferrite presenta almeno due vantaggi rispetto ai normali induttori utilizzati nei filtri LC. I manicotti di ferrite tagliano le basse frequenze in modo più netto e con un caduta più ripida e sono dotati di una resistenza intrinseca che aiuta a ridurre possibili frequenze di risonanza. Anche se hanno questa capacità di smorzamento la risonanza può comunque verificarsi. Questo rischio aumenta quando si utilizzano condensatori più grandi. Se davvero volete utilizzare un condensatore grande il rischio può essere ridotto aggiungendo smorzamento o limitando la risonanza in altri modi. Se si verifica una risonanza essa può comportare un incremento fino a 10 dB, per cui è importante progettare il filtro in modo da evitarla.

 
oil filter
Filtrate i segnali con un manicotto di ferrite e un condensatore di bypass.
 

Segnali misti in piani di massa/alimentazione

Uno dei modi principali nel quale le EMI possono propagarsi in un circuito è attraverso i piani di massa e di alimentazione. Questo si verifica spesso nei circuiti a segnale misto dove una singola impedenza di massa/alimentazione viene utilizzata sia per i segnali analogici che digitali. Pertanto è meglio avere piani di massa/alimentazione separati; tuttavia la massa deve comunque essere referenziata dallo stesso voltaggio relativo. Questi problemi possono creare un dilemma che solo i manicotti di ferrite possono aiutare a risolvere.

I manicotti di ferrite possono essere utilizzati per collegare piani di massa/alimentazione analogici e digitali separati. In questa configurazione entrambi i piani hanno la stessa tensione ma sono separati l’uno dall’altro. Un manicotto ben scelto può bloccare i disturbi che normalmente passerebbero direttamente da un piano all’altro. Non è possibile utilizzare piani di massa separati connessi da manicotti di ferrite in qualsiasi circuito, per cui controllate prima che possiate utilizzare questa soluzione.

 

Filtraggio del rumore

I piani di massa e di alimentazione non sono le uniche parti del circuito soggette a disturbi. I disturbi possono provenire da componenti digitali, convertitori DC/DC, o dalle linee di alimentazione in ingresso. I manicotti di ferrite possono aiutare a bloccare il rumore proveniente da tutte queste fonti.

In caso di componenti che producono rumore potete utilizzare i manicotti di ferrite per isolarli. Molto probabilmente avrete condensatori di bypass per ognuno dei vostri circuiti digitali per cui aggiungendo un manicotto di ferrite andrete ad ottenere uno dei filtri LC di cui abbiamo parlato in precedenza. Questi filtri attenuano il rumore proveniente dai componenti ed aiutano a ridurre le interferenze elettromagnetiche nel circuito.

Alcuni circuiti analogici sono alimentati da un convertitore AC/DC. Probabilmente potete essere preoccupati dal rumore in ingresso al sistema ma non pensate troppo al chip analogico che invia disturbi in uscita. In questo caso potete posizionare un manicotto di ferrite in linea con il convertitore ed isolare il circuito analogico dalle EMI.

 

Thick 50 ohm coaxial cable and ferrite latch

Le ferriti vengono spesso usano per filtrare le linee di alimentazione.

 

Potreste essere preoccupati dal rumore che proviene esternamente alla vostra scheda. Spesso le EMI entrano nel PCB attraverso l’alimentazione. I manicotti di ferrite sono ideali per filtrare questo tipo di disturbo ad alta frequenza. Infatti questo è il loro utilizzo più comune.

Sia che i vostri PCB viaggino nello spazio sia che rimangano a terra, essi devono essere protetti dalle EMI. I manicotti di ferrite sono in grado di fare tutto questo, sia attenuando una banda specifica delle alte frequenze, sia funzionando come filtro LC se vengono combinati ad un condensatore di bypass in ceramica. Se utilizzate un manicotto in un filtro a LC dovete fare attenzione alla risonanza LC. È possibile utilizzare i manicotti di ferrite anche per separare i piani di massa e alimentazione nei circuiti a segnali misti e filtrare i disturbi in generale.

Ora che avete imparato come utilizzare i manicotti di ferrite per ridurre le EMI nel circuito è arrivato il momento di passare alla fase di progettazione. Software avanzati per il progetto di PCB, come Altium Designer, vi possono aiutare a passare dalla teoria, in termini di riduzione dei disturbi, alla pratica. Altium Designer è dotato di funzioni avanzate e documentazione che vi assicurano di essere sempre pronti a qualsiasi evenienza.

 

Avete ulteriori domande sulle EMI? Contattate un esperto di Altium.

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