Optimización del enrutado de PCB de alta velocidad para minimizar el impacto EMI

Las nuevas generaciones de tecnologías electrónicas conducen a velocidades de flanco cada vez mayores de los componentes. La mejora de la velocidad de funcionamiento de los circuitos exige requisitos cada vez más altos en el diseño de PCB. La calidad del diseño determina incluso el rendimiento de los componentes y del circuito completo. Especialmente considerando coste, área del PCB y funcionalidad del circuito, las fuentes de generación de EMI (Interferencia Electromagnética) se vuelven más amplias con mecanismos complicados.

Mecanismo EMI y soluciones

Los principales elementos de EMI son: fuente de interferencia, ruta de transmisión y objeto interferido. Una vez especificados los elementos que causan EMI, es necesario determinar cuáles son fáciles de resolver y cuáles solo parcialmente, para tenerlos en cuenta en la disposición, enrutado y puesta a tierra.

Disposición (Layout)

En la disposición del PCB, las áreas deben dividirse según funcionalidades. Distintas funcionalidades se distribuyen en distintas áreas, prestando atención especial a unidades sensibles en áreas funcionales.

Generalmente, para la disposición de PCB se deben seguir los siguientes principios:

• En circuitos de alta velocidad, considerar parámetros de distribución de pines de componentes; la capacitancia distribuida de pines es esencial, especialmente para señales de reloj de alta velocidad. También hay que considerar la inductancia distribuida, que puede causar oscilación y fallo del circuito. Por tanto, en la disposición se debe organizar con alta densidad, reduciendo longitud de patillas para futuro enrutado y disminuyendo influencia EMI.
• Si coexisten componentes analógicos y digitales, deben distribuirse independientemente. Las señales digitales tienen compuestos armónicos múltiples que influyen mucho en señales analógicas, requiriendo gran cuidado.
• Las unidades de reloj son esenciales en circuitos de alta velocidad. Su mecanismo equivale a una fuente de ruido, oscilando bajo ciertas condiciones. Como importante fuente de interferencia conducida y radiada, la unidad de reloj no debe colocarse en el borde del PCB, ya que la EMI se volvería grave. Es necesario situarla en el centro del PCB, reduciendo significativamente la EMI.

Enrutado (Routing)

En el enrutado, bajo premisa de bajo coste, el plano de tierra puede ampliarse todo lo posible para reducir la influencia EMI. Sin embargo, cuando el coste debe controlarse estrictamente, el número de capas y la secuencia de apilado deben considerarse cuidadosamente. Además, los tipos de señal deben considerarse y el enrutado debe realizarse independientemente para señales de alta y baja velocidad. Otros elementos incluyen fuentes de ruido y cómo reforzar la inhibición, problemas de adaptación de impedancia (señales de alta velocidad sin adaptación adecuada causan reflexión y disminuyen la fiabilidad) y lista de redes.

Principios básicos de enrutado

Los principios generales incluyen:

1. Evitar puntos de quiebra en el enrutado, es decir, evitar ángulos rectos (Figura 1). Los ángulos rectos pueden causar reflexión; los puntos de inflexión deben diseñarse suavemente. Simultáneamente, señales clave no deben cruzar áreas divididas, o la EMI aumentará instantáneamente. El bypass más común es cruzar diferentes áreas de alimentación divididas.
2. En la disposición, componentes analógicos y digitales deben separarse, igual que sus enrutados. Ampliar ancho de pistas de tierra y alimentación: regla general: ancho de tierra > ancho de alimentación > ancho de señal. Aplicar principio 3W en enrutado de señales; para multicapa, principio 20H en capas internas. Esto evita el 70% de EMI. Para pistas analógicas sensibles, implementar medidas como apantallamiento a tierra.
3. Para enrutado de USB 2.0 u otras líneas diferenciales de alta velocidad, aplicar enrutado acoplado y garantizar integridad de la superficie de referencia entre pares diferenciales. Al ser señales de alta velocidad, no deben enrutarse en el borde del PCB.

Bucles (Loops)

Los bucles son inevitables en diseño de PCB. Se forman desde la salida hasta la entrada de señales, actuando cada uno como antena. Para reducir EMI, deben disminuirse tanto el número de bucles como su capacidad de antena. Esto implica conocer la dirección de flujo de cada señal y reducir el área de bucle para señales de alta velocidad.

Los bucles más comunes están en bucles de alimentación contenidos por condensadores de desacoplo (Figura 2).

Si el condensador se coloca como en el diagrama izquierdo, se generan bucles de corriente grandes con EMI evidente. En el diagrama derecho, el condensador se coloca junto al chip, generando un bucle de desacoplo muy pequeño que reduce EMI. Principios para reducir bucles:

1. Asegurar un solo camino entre dos puntos en cada línea de señal.
2. Aplicar plano de tierra sin bloqueos en bucles de señal.

Pistas de tierra del PCB

1. Diferenciar entre tierra digital, analógica y de apantallamiento del sistema. Usar cuentas magnéticas y condensadores para separar tierra digital y analógica; tierra digital y de campo conectar directamente.
2. Si es posible, ensanchar pistas de tierra en el PCB.
3. Formar circuitos cerrados con pistas de tierra para reforzar capacidad antiinterferencia y reducir diferencia de potencial entre sistemas.

Diseño de filtros

En PCBs de alta velocidad, se puede implementar filtrado en pistas de alimentación y señal. Medidas comunes: añadir componentes de filtro magnético, filtro EMI y condensadores de desacoplo.

Selección de condensador de desacoplo

1. El condensador de desacoplo suaviza la alimentación y refuerza la antiinterferencia. Generalmente se elige condensador cerámico por su alta estabilidad, precisión, pequeño volumen y bajo ESR. En diseño, el valor de capacitancia se elige entre 1 µF y 100 µF, considerando la tensión de soporte según el circuito.
2. El condensador debe colocarse lo más cerca posible de los componentes.

Selección de componentes magnéticos

Se clasifican en inductores y cuentas magnéticas. Generalmente, inductor al final de terminal de alimentación; cuentas magnéticas entre líneas de señal. Al seleccionar, considerar parámetros de saturación: al saturarse, se queman. También considerar calidad y parámetros DCR.

Medida común en líneas de señal: aplicar cuentas magnéticas en serie para reforzar capacidad EMI.

Selección de filtro EMI

El área con interferencia de modo común grave está en la entrada de alimentación y salida de líneas de señal. Medidas habituales: añadir inductor de modo común, varistor, circuito LC y filtro EMI específico. En circuitos de alta velocidad, considerar problema EMI en transmisión de alta velocidad en interfaces digitales como USB y HDMI.

Reflexión de señal

En transmisión, se espera que la energía en la fuente se transmita a la carga, es decir, ZL = Z0. Si no son iguales, parte de la energía se refleja.

Si el retardo de transmisión es largo, señales más fuertes se reflejan hacia la fuente. Entonces se requiere gran compensación al generarse ringing (Figura 5).

Cuando hay ringing, la EMI alcanza máxima severidad. Para evitarlo, seguir principios de la Tabla 1.

Tiempo de flanco señal (ns)	Longitud líneas señal (pulg)
5	8,6
4	6,9
3	5,1
2	3,4
1	1,7

Prueba EMI

Tras el diseño, a pesar de muchas medidas anti-EMI, los problemas no se detectan hasta la prueba. Luego se pueden hacer modificaciones.

La prueba EMI incluye método, dispositivos y posición. Los métodos deben realizarse con referencia a todos los items. Si los dispositivos no cumplen el estándar, se puede usar un espectrómetro para prueba cualitativa. Si se requiere valor EMI específico, se necesitan dispositivos profesionales. La mejor posición es una cámara anecoica.

Recursos útiles:
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