Dominando la Interferencia Electromagnética en PCB: Estrategias para Diseño Confiable

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Por Qué es Importante Evitar la Interferencia Electromagnética | Principios de Diseño EMC para Prevenir y Solucionar Problemas Electromagnéticos | 1. Plano de Tierra | 2. Layout de Trazos | 3. Disposición de Componentes | 4. Blindaje EMI | Diseño EMC de Millennium Circuits Limited

Los problemas electromagnéticos acechan consistentemente a los diseñadores de PCB. Los ingenieros de diseño de sistemas deben monitorear siempre la compatibilidad e interferencia electromagnética. Desafortunadamente, incluso pequeños problemas de diseño pueden resultar en dificultades electromagnéticas. Estos problemas son aún más comunes que nunca, con diseños de placas encogiéndose y clientes exigiendo mayores velocidades.

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

La compatibilidad electromagnética, o EMC, involucra la generación, propagación y recepción de energía electromagnética, generalmente a través de un mal diseño. La interferencia electromagnética, o EMI, se refiere a los efectos no deseados y dañinos de la 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 reglas de diseño EMC para minimizar la cantidad y efectos de la EMI.

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

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Por Qué es Importante Evitar la Interferencia Electromagnética

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

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

• Duración: La interferencia continua es una fuente de EMI que emite una señal constante, que más a menudo aparece como ruido de fondo. La interferencia por impulso es intermitente, generalmente causada por sistemas de conmutación, rayos y otras fuentes no constantes.

• Ancho de Banda: Señales de banda estrecha como las usadas por radio pueden encontrar interferencia de osciladores y transmisores, aunque estas fuentes solo afectan ciertas partes del espectro intermitentemente. La interferencia de banda ancha afecta señales de altos datos como TV y puede venir de muchas fuentes, incluyendo soldadores de arco y ruido solar.

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

Sin embargo, la fuente más común de EMI —y la más problemática para los diseñadores— es interna. Un mal diseño de PCB puede resultar en señales incompatibles interfiriendo entre sí en la placa. Esta interferencia puede causar finalmente que la placa falle. Los diseñadores deben asegurar que la interferencia se mantenga al mínimo y que cualquier señal emitida sea compatible para no resultar en interferencia.

Principios de Diseño EMC para Prevenir y Solucionar Problemas Electromagnéticos

Los diseñadores de placas de circuito deben seguir 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 fallos de diseño que causan interferencia entre los trazos, circuitos, vías, bobinas de PCB y otros elementos.

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

1. Plano de Tierra (Ground Plane)

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

• Maximizar el área de tierra: Aumente el área de tierra tanto como sea posible dentro del PCB. Las señales pueden dispersarse más fácilmente con más área, reduciendo emisiones, diafonía (cross-talk) y ruido. Si el plano de tierra es demasiado pequeño, podría posiblemente añadir otra capa y crear un PCB multicapa. Esta solución de diseño proporciona 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 con copper-thieving y hashed suelen resultar en niveles de impedancia más altos. Los planos de tierra sólidos, por otro lado, proporcionan niveles más bajos.

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

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

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

• Minimizar la longitud de señal: La longitud de los trazos es importante ya que la cantidad de tiempo que una señal tarda en llegar y volver de una fuente debe ser compatible. De lo contrario, puede irradiar EMI. Mantenga las longitudes de trazo lo más cortas posible y aproximadamente iguales en longitud.

2. Layout de Trazos (Trace Layout)

Los trazos son especialmente importantes para el diseño de la placa. El uso adecuado de trazos asegura una corriente propagada correctamente. Sin embargo, muchos problemas pueden surgir si los trazos no se organizan según las principales reglas de diseño EMC.

Los trazos son esencialmente caminos conductores que contienen electrones fluyendo mientras el circuito está activo. Así, estos trazos están a un error de crear una antena radiante. Una simple curva o cruce puede resultar en interferencia electromagnética en PCB.

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

• Evitar ángulos rectos: Evite ángulos de 45 a 90 grados para vías, trazos y otras partes. La capacitancia aumenta a medida que los trazos alcanzan ángulos superiores a 45 grados. Como resultado, la impedancia característica cambia, llevando a reflexión. Esta reflexión resulta en EMI. Puede evitar este problema redondeando trazos que necesitan girar una esquina o enrutándolos a través de dos o más ángulos de 45 grados o menos.

• Mantener señales separadas: Mantenga trazos de alta velocidad separados de señales de baja velocidad y señales analógicas separadas de digitales. La proximidad cercana puede resultar en interferencia.

• Acortar caminos de retorno: Mantenga los caminos de corriente de retorno lo más cortos posible, y enrútelelos a lo largo de caminos de menor resistencia. Los caminos de retorno deberían ser aproximadamente de la misma longitud que los trazos de transmisión o más cortos.

• Cuidar el espaciado: Dos señales de alta velocidad corriendo en paralelo crean EMI a través de diafonía (cross-talk), en la que un trazo es el "agresor" y el otro es la "víctima". El agresor influye en el trazo víctima a través de acoplamiento inductivo y capacitivo, creando corriente hacia adelante y hacia atrás en el trazo víctima. Puede minimizar la diafonía manteniendo un espaciado mínimo entre trazos. Generalmente, separe los trazos por el doble del ancho del trazo. 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.

• Usar 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 usarlas. Las vías añaden sus propios efectos de inductancia y capacitancia a la mezcla, potencialmente resultando en reflexiones debido a cambios en la impedancia característica. Las vías también aumentan la longitud del trazo, que necesita ser igualada. Cuando sea posible, evite usar vías para trazos diferenciales. Si esto es imposible, sin embargo, úselas en ambos trazos para compensar el retraso.

3. Disposición de Componentes (Component Arrangement)

Los componentes electrónicos son los bloques de construcción de un circuito electrónico. Sin embargo, organizarlos incorrectamente puede causar varios problemas de EMI. Al diseñar un PCB, sea consciente del impacto EMI de cada pieza. Algunas mejores prácticas para el layout de componentes en diseño de PCB incluyen las siguientes:

• Separar partes analógicas y digitales: Al igual que con los trazos, siempre separe circuitos y componentes analógicos y digitales. Colocar circuitos analógicos y digitales en proximidad cercana puede resultar en diafonía, entre otros problemas. Para evitar esto, use blindaje, múltiples capas y tierras separadas para colocar señales analógicas y digitales lo más lejos posible entre sí. Generalmente, es mejor mantener señales analógicas y digitales en tierras separadas por completo.

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

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

4. Blindaje EMI (EMI Shielding)

Algunos componentes producirán EMI sin importar qué reglas de diseño siga —especialmente piezas pequeñas y de alta velocidad. Afortunadamente, el blindaje y filtrado pueden mantener los efectos de esta EMI al mínimo. Algunas opciones de blindaje y filtrado incluyen las siguientes:

• Blindaje de componente y placa: Los blindajes físicos son paquetes metálicos que encapsulan todo o parte de una placa. Su objetivo es mantener la EMI fuera de la circuitería de la placa, aunque los métodos específicos varían según la fuente de la EMI. Para EMI que proviene del interior del sistema, se pueden usar blindajes de componente para envolver un componente específico que produce EMI —conectando así a tierra, reduciendo el tamaño del bucle de antena y absorbiendo EMI. Otros blindajes pueden envolver toda la placa para proteger contra EMI de fuentes externas. Una Jaula de Faraday (Faraday Cage), por ejemplo, es un recinto protector grueso diseñado para bloquear ondas RF. Estos dispositivos suelen estar hechos de metal o espuma conductiva.

• Filtrado de paso bajo (Low-pass filtering): A veces, un PCB puede incluir filtros de paso bajo para eliminar ruido de alta frecuencia de componentes. Estos filtros suprimen el ruido de estas partes, permitiendo que la corriente continúe en el camino de retorno sin interferencia.

• Blindaje de cables: Los cables que transportan corrientes analógicas y digitales crean la mayor cantidad de problemas de EMI. Producen estos problemas generando capacitancia e inductancia parásitas —un problema particular para señales de alta frecuencia. Afortunadamente, blindar estos cables y conectarlos a tierra al frente y al final ayuda a cancelar la interferencia EMI.

Diseño EMC de Millennium Circuits Limited

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