Superación de problemas electromagnéticos de PCB

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Por qué es importante evitar las interferencias electromagnéticas | Principios de diseño de EMC para prevenir y solucionar problemas electromagnéticos | 1. Plano de tierra | 2. Diseño de trazado | 3. Disposición de componentes | 4. Blindaje EMI | Diseño EMC de Millennium Circuits Limited |

Los problemas electromagnéticos plagan constantemente a los diseñadores de PCB. Los ingenieros de diseño de sistemas siempre deben monitorear la compatibilidad e interferencia electromagnética. Desafortunadamente, incluso los pequeños problemas de diseño pueden generar dificultades electromagnéticas. Estos problemas son aún más comunes que nunca, con diseños de placas cada vez más reducidos y clientes que exigen velocidades más altas.

Los dos problemas principales en juego son la compatibilidad electromagnética y la interferencia electromagnética.

La compatibilidad electromagnética, o EMC, implica la generación, propagación y recepción de energía electromagnética, generalmente a través de un diseño deficiente. La interferencia electromagnética, o EMI, se refiere a los efectos dañinos y no deseados de EMC, así como a la interferencia electromagnética de fuentes ambientales. Demasiada EMI puede resultar en un producto defectuoso o dañado. Cualquier diseñador de PCB debe seguir las reglas de diseño de EMC para minimizar la cantidad y los efectos de EMI.

Afortunadamente, un diseño EMC adecuado puede reducir la EMI en las placas de circuitos.

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Por qué es importante evitar las interferencias electromagnéticas

Las fuentes de interferencia electromagnética están a nuestro alrededor y podemos categorizarlas de varias maneras:

• Fuente: La EMI creada por el hombre surge de los circuitos electrónicos. La EMI natural, por otro lado, puede surgir de factores ambientales como el ruido cósmico y los rayos.

• Duración: La interferencia continua es una fuente de EMI que emite una señal constante, que en la mayoría de los casos aparece como ruido de fondo. La interferencia de impulsos es intermitente, generalmente causada por sistemas de conmutación, rayos y otras fuentes no constantes.

• Ancho de banda: Las señales de banda estrecha como las utilizadas por la radio pueden encontrar interferencias de osciladores y transmisores, aunque estas fuentes solo afectan ciertas partes del espectro de manera intermitente. La interferencia de banda ancha afecta las señales de datos altos como la televisión y puede provenir de muchas fuentes, incluidos los soldadores de arco y el ruido solar.

Ya sea de origen humano o ambiental, la EMI puede ser tanto costosa como peligrosa. Puede interrumpir los canales de comunicación y los dispositivos sensibles. EMI es una preocupación notable en el campo médico, donde el uso de dispositivos inalámbricos va en aumento. Desafortunadamente, EMI puede afectar la funcionalidad de equipos médicos como ventiladores, monitores de ECG, monitores cardíacos y desfibriladores. En otras industrias, la EMI puede alterar los sensores y los sistemas de navegación. El resultado en todos los casos es una perturbación del equipo que puede ser responsable de la salud y seguridad de sus usuarios.

Sin embargo, la fuente más común de EMI, y la fuente más problemática para los diseñadores, es interna. Un diseño de PCB deficiente puede provocar que las señales incompatibles interfieran entre sí en la placa. Esta interferencia puede, en última instancia, hacer que la placa falle. Los diseñadores deben asegurarse de que la interferencia se mantenga al mínimo y que cualquier señal emitida sea compatible para que no provoque interferencias.

Principios de diseño de EMC para prevenir y solucionar problemas electromagnéticos

Los diseñadores de placas de circuito deben seguir los principios de diseño de compatibilidad electromagnética para mantener la EMI al mínimo. Las causas básicas de los problemas de EMC son bastante comunes y en su mayoría tienen que ver con fallas de diseño que causan interferencia entre las pistas, circuitos, vías, bobinas de PCB y otros elementos.

Estos principios de diseño esenciales pueden ayudar a prevenir y solucionar estos problemas electromagnéticos en el diseño de una placa de circuito impreso.

1. Plano de tierra

Diseñar el plano de tierra de una PCB es el paso más importante y es crucial para reducir la EMI. El plano de tierra es su primera línea de defensa contra EMI ya que todos los circuitos requieren una tierra para funcionar. Algunas mejores prácticas comunes para el diseño de suelo para reducir EMI incluyen:

• Maximizar el área del terreno: Aumente el área de tierra tanto como sea posible dentro de la PCB. Las señales pueden dispersarse más fácilmente con más área, lo que reduce las emisiones, la diafonía y el ruido. Si el plano de tierra es demasiado pequeño, posiblemente podría agregar otra capa y crear una PCB de múltiples capas. Esta solución de diseño brinda más opciones para manejar trazas de alta velocidad.

• Usar planos sólidos: Especialmente en PCB multicapa, un plano de tierra sólido es una opción ideal. Los planos de tierra de hash y de robo de cobre generalmente dan como resultado niveles de impedancia más altos. Los planos de tierra sólida, por otro lado, proporcionan niveles más bajos.

• Conecte cada componente: Conecte cada parte a un plano o punto de tierra. El plano de tierra actúa como un agente neutralizador para el diseño de la placa, y los componentes flotantes no lo aprovechan por completo.

• Tenga cuidado con los planos divididos: Los diseños de PCB altamente complejos a menudo incluyen numerosos voltajes regulados, cada uno de los cuales debe tener sus propios planos de tierra. Sin embargo, demasiados planos de tierra aumentan el costo de fabricación. Este problema generalmente se evita mediante el uso de planos divididos, que crean múltiples secciones de suelo en una sola capa. Sin embargo, los diseñadores siempre deben usar los planos divididos con cuidado. Asegúrese de tener una buena razón para usar un plano dividido y, si usa uno, asegúrese de que solo estén conectados en un solo punto. Múltiples conexiones a tierra en una PCB de tierra dividida pueden crear bucles, lo que da como resultado una antena que irradia EMI.

• Conectar condensadores de derivación o desacoplamiento: Si el diseño incluye condensadores de derivación o desacoplamiento, conéctelos al plano de tierra. Este acto ayuda a disminuir la corriente de retorno al reducir el tamaño del bucle.

• Minimizar la duración de la señal: La longitud de las trazas es importante ya que la cantidad de tiempo que tarda una señal en llegar y salir de una fuente debe ser compatible. De lo contrario, puede irradiar EMI. Mantenga las longitudes de seguimiento lo más cortas posible y tengan aproximadamente la misma longitud.

2. Diseño de seguimiento

Los trazos son especialmente importantes para el diseño de placas. El uso adecuado de la traza garantiza una corriente correctamente propagada. Sin embargo, pueden surgir muchos problemas si las trazas no se organizan de acuerdo con las principales reglas de diseño de EMC.

Las huellas son esencialmente caminos conductores que contienen electrones que fluyen mientras el circuito está activo. Por lo tanto, estas huellas están a un error de crear una antena radiante. Una simple curvatura o cruce puede provocar interferencias electromagnéticas en la placa de circuito impreso.

Algunas de las mejores reglas para el diseño de trazas en el diseño de PCB incluyen:

• Evite los ángulos rectos: Evite ángulos de 45 grados a 90 grados para vías, trazas y otras partes. La capacitancia aumenta a medida que las trazas alcanzan ángulos de más de 45 grados. Como resultado, la impedancia característica cambia, lo que lleva a la reflexión. Esta reflexión da como resultado EMI. Puede evitar este problema redondeando los trazos que deben girar en una esquina o dirigiéndolos a través de dos o más ángulos de 45 grados o menos.

• Mantenga las señales separadas: Mantenga las trazas de alta velocidad separadas de las señales de baja velocidad y las señales analógicas separadas de las digitales. La proximidad puede provocar interferencias.

• Acortar las rutas de retorno: Mantenga las rutas de corriente de retorno lo más cortas posible y diríjalas a lo largo de rutas de menor resistencia. Las rutas de retorno deben tener aproximadamente la misma longitud que las trazas de transmisión o más cortas.

• Espacio mental: Dos señales de alta velocidad que se ejecutan en paralelo crean EMI a través de la diafonía, en la que un rastro es el "agresor" y el otro es la "víctima". El agresor influye en la huella de la víctima a través del acoplamiento inductivo y capacitivo, creando corriente hacia adelante y hacia atrás en la huella de la víctima. Puede minimizar la diafonía manteniendo un espacio mínimo entre las trazas. Generalmente, separe las trazas por el doble del ancho de la traza. Por ejemplo, si los trazos tienen cinco milésimas de pulgada de ancho, mantenga una distancia mínima de diez milésimas de pulgada o más entre dos trazos paralelos.

• Use las vías con cuidado: Las vías son necesarias en el diseño de PCB porque le permiten aprovechar múltiples capas en sus placas al enrutar. Sin embargo, los diseñadores deben tener cuidado al usarlos. Las vías agregan sus propios efectos de inductancia y capacitancia a la mezcla, lo que puede generar reflejos debido a cambios en la impedancia característica. Las vías también aumentan la longitud de la traza, que debe coincidir. Cuando sea posible, evite usar vías para trazas diferenciales. Sin embargo, si esto es imposible, utilícelos en ambas trazas para compensar el retraso.

3. Arreglo de componentes

Los componentes electrónicos son los componentes básicos de un circuito electrónico. Sin embargo, organizarlos incorrectamente puede causar varios problemas de EMI. Al diseñar una PCB, tenga en cuenta el impacto EMI de cada pieza. Algunas de las mejores prácticas para el diseño de componentes en el diseño de PCB incluyen las siguientes:

• Separar partes analógicas y digitales: Al igual que con las trazas, siempre separe los circuitos y componentes analógicos y digitales. La colocación de circuitos analógicos y digitales muy cerca puede dar lugar a interferencias, entre otros problemas. Para evitar esto, use blindaje, múltiples capas y tierras separadas para colocar las señales analógicas y digitales lo más lejos posible entre sí. En general, es mejor mantener las señales analógicas y digitales en terrenos separados por completo.

• Piezas analógicas y de alta velocidad separadas: Los circuitos analógicos transportan una corriente alta, lo que puede causar problemas para trazas de alta velocidad y señales de conmutación. Manténgalos alejados entre sí y proteja los circuitos analógicos con señal de tierra. En PCB multicapa, dirija las trazas analógicas de modo que exista un plano de tierra entre el circuito analógico y las señales de conmutación o de alta velocidad.

• Tenga cuidado con los componentes de alta velocidad: Cuanto más rápido y más pequeño sea el componente, mayor será la cantidad de EMI que probablemente produzca. Puede combatir esta EMI natural mediante el blindaje y el filtrado, aunque también es una buena idea separar estos componentes de otros en el diseño de la placa. Otra medida a tomar es mantener las señales de alta velocidad y los relojes lo más cortos posible y adyacentes al plano de tierra. Estas medidas ayudan a mantener los niveles de diafonía, ruido y radiación bajo control y dentro de los límites de nivel aceptables.

4. Blindaje EMI

Algunos componentes producirán EMI sin importar las reglas de diseño que siga, especialmente las piezas pequeñas y de alta velocidad. Afortunadamente, el blindaje y el filtrado pueden mantener los efectos de este EMI al mínimo. Algunas opciones de protección y filtrado incluyen lo siguiente:

• Blindaje de componentes y placa: Los escudos físicos son paquetes metálicos que encapsulan todo o parte de una placa. Su objetivo es evitar que la EMI ingrese al circuito de la placa, aunque los métodos específicos varían según la fuente de la EMI. Para la EMI que proviene del interior del sistema, se pueden usar blindajes de componentes para encerrar un componente específico que produce EMI, conectándose así a tierra, reduciendo el tamaño del bucle de la antena y absorbiendo la EMI. Otros escudos pueden recubrir toda la placa para proteger contra EMI de fuentes externas. Una jaula de Faraday, por ejemplo, es un recinto protector grueso diseñado para bloquear las ondas de radiofrecuencia. Estos dispositivos suelen estar hechos de metal o espuma conductora.

• Filtrado de paso bajo: A veces, una PCB puede incluir filtros de paso bajo para eliminar el ruido de alta frecuencia de los componentes. Estos filtros suprimen el ruido de estas partes, lo que permite que la corriente continúe en el camino de retorno sin interferencias.

• Apantallamiento de cables: Los cables que transportan corrientes analógicas y digitales crean la mayor cantidad de problemas de EMI. Producen estos problemas al producir capacitancia e inductancia parásitas, un problema particular para las señales de alta frecuencia. Afortunadamente, proteger estos cables y conectarlos a tierra en la parte delantera y trasera ayuda a cancelar la interferencia EMI.

Diseño EMC de Millennium Circuits Limited

A medida que avanza la tecnología y aumentan los problemas de interferencia electromagnética, su empresa necesita invertir en recursos para prepararse para el futuro. Los problemas electromagnéticos se volverán más avanzados, y estar al tanto de las mejores prácticas más recientes es la mejor manera de evitar estos problemas y preparar a su empresa para el éxito futuro. Parte de esto debería implicar asociarse con un proveedor de placas de circuito impreso de calidad. Su proveedor preparará a su empresa para manejar cualquier proyecto de PCB que se le presente. Millennium Circuits Limited puede ayudarlo a llegar allí.

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