Dominar la mitigación de interferencias en PCB: Guía profesional para garantizar el cumplimiento EMC

Con el constante desarrollo de la tecnología de la información, los productos electrónicos son cada vez más complejos en términos de funciones, categorías y estructuras, impulsando el diseño de PCB hacia la dirección de múltiples capas y alta densidad. Como resultado, se debe prestar mucha atención a la EMC (Compatibilidad Electromagnética) del diseño de PCB, ya que el diseño EMC de PCB no solo asegura el funcionamiento normal y estable de todos los circuitos en la placa para que no se interfieran mutuamente, sino que también reduce eficazmente la radiación y la emisión conducida del PCB para evitar que los circuitos sean interferidos por radiación y conducción externas. La interferencia es el principal enemigo de la EMC. Pero, ingenieros, deberían dejar de preocuparse a partir de este artículo.

Clasificación de la interferencia en PCB

La interferencia en PCB puede clasificarse en tres categorías:
1). Interferencia de diseño (layout) se refiere a la interferencia causada por una colocación inadecuada de componentes en el PCB.
2). Interferencia de apilado (stacking) se refiere a la interferencia de ruido causada por una configuración no científica.
3). Interferencia de enrutado (routing) se refiere a la interferencia causada por una configuración inadecuada de la distancia entre líneas de señal, líneas de alimentación y líneas de tierra del PCB, ancho de línea o método de enrutado no científico.

En términos de clasificación de interferencia en PCB, se pueden tomar medidas de supresión respectivamente desde la perspectiva de reglas de diseño, estrategia de apilado y reglas de enrutado, reduciendo o incluso eliminando la influencia resultante de la interferencia en PCB para asegurar la compatibilidad con el estándar de diseño EMC.

Medidas de supresión correspondientes para la interferencia en PCB basada en su clasificación

Medidas de supresión para interferencia de diseño

La clave para detener la interferencia de diseño radica en un diseño de PCB razonable que debe cumplir las siguientes seis reglas:

1. La posición del circuito de cada módulo funcional debe establecerse razonablemente según la ubicación de la corriente de señal y sus direcciones de flujo deben mantenerse las mismas en la medida de lo posible.
2. El componente central en el circuito del módulo debe colocarse en el centro y los cables deben acortarse tanto como sea posible entre componentes, especialmente componentes de alta frecuencia.
3. La integración entre elementos termosensibles y chips debe realizarse lejos de elementos calefactores.
4. La posición del conector debe determinarse de acuerdo con las posiciones de los componentes en la placa. Los conectores deben colocarse en un lado del PCB para evitar que los cables salgan por dos lados y reducir la radiación de corriente de modo común (CM).
5. El driver I/O debe estar muy cerca del conector para evitar el enrutado de larga distancia de señales I/O en la placa.
6. Los elementos termosensibles no deben colocarse demasiado cerca entre sí y los componentes de entrada y salida deben estar lejos de ellos también.

Medidas de supresión para interferencia de apilado

Primero, la información de diseño de PCB debe dominarse con elementos integrales considerados, incluyendo densidad de líneas de señal, clasificación de alimentación y tierra, para determinar la alimentación y el número de capas que garanticen la implementación de la función del circuito. La calidad de la estrategia de apilado está esencialmente correlacionada con el voltaje transitorio del plano de tierra o plano de alimentación y el blindaje electromagnético de alimentación y señales. Basándose en la experiencia práctica de diseño de apilado, el diseño de apilado debe cumplir las siguientes reglas:
1). El plano de tierra y el plano de alimentación deben ser adyacentes entre sí y la distancia entre ellos debe ser lo más pequeña posible.
2). El plano de señal debe estar muy cerca del plano de tierra o plano de alimentación. Tanto una sola capa como múltiples capas son aceptables.

En el proceso de diseño de PCB de una o dos capas, las líneas de alimentación y señal deben diseñarse cuidadosamente. Para reducir el área del bucle de corriente de alimentación, las líneas de tierra y alimentación deben estar muy cerca entre sí y mantenerse mutuamente paralelas. Para PCBs de una capa, se deben disponer líneas de tierra de protección a ambos lados de las líneas de señal importantes. Por un lado, tiene como objetivo reducir el área del bucle de señales. Por otro lado, se puede evitar el crosstalk entre líneas de señal.

Para PCBs de dos capas, también se pueden establecer líneas de tierra de protección o implementar tierra de área masiva en el plano de imagen de señales significativas. Aunque la fabricación y depuración de montaje de PCB son simples y convenientes, no es aceptable simular directamente PCBs complicados como circuitos digitales y circuitos digital-analógicos porque la radiación aumentará con el aumento del área del bucle sin plano de referencia.

Se sugieren PCBs multicapa si el costo es suficiente. Tres reglas deben seguirse en el proceso de diseño de PCB multicapa:
1). Para líneas de señal significativas, como líneas de bus o reloj con fuerte radiación y líneas con alta sensibilidad, el enrutado debe implementarse entre dos planos de tierra o en el plano de señal muy cercano al plano de tierra, lo cual es beneficioso para reducir el área del bucle de señal, reducir la intensidad de radiación y fortalecer la antiinterferencia.
2). La radiación de borde debe asegurarse bajo control efectivo. Comparado con el plano de tierra adyacente, el plano de alimentación debe reducirse internamente en 5 a 20H (H se refiere al espesor dieléctrico).
3). Si existen líneas de señal de alta frecuencia entre la capa inferior y superior, deben colocarse entre la capa superior y el plano de tierra para prohibir la radiación de líneas de señal de alta frecuencia al espacio.

Medidas de supresión para interferencia de enrutado

Para prohibir la interferencia, las siguientes reglas deben obedecerse en términos de enrutado:
1). Los cables en el terminal de salida y entrada deben evitar ser paralelos por una larga distancia. El crosstalk paralelo puede disminuirse añadiendo líneas de tierra o aumentando la distancia entre líneas.
2). El ancho de enrutado nunca debe cambiar repentinamente. La esquina debe ser arco o con un ángulo de 135°.
3). La radiación externa del bucle que lleva corriente aumenta (disminuye) con el aumento (disminución) del área del bucle, corriente y frecuencia de señal, por lo que es necesario reducir el área del bucle de cables cuando la corriente fluye a través de ellos.
4). La longitud del cable debe reducirse mientras que el ancho debe aumentarse para disminuir la impedancia de los cables.
5). Para minimizar el acoplamiento de ruido y crosstalk entre líneas adyacentes, realice un procesamiento de aislamiento entre líneas para asegurar el aislamiento de enrutado.
6). Se debe establecer una derivación de aislamiento de señal clave y las señales clave deben protegerse mediante circuitos de protección.

Además, al enrutar líneas de señal, líneas de alimentación y líneas de tierra, siga las reglas de enrutado de acuerdo con sus propias características y funciones:
a. Las líneas de tierra públicas deben disponerse en el borde del PCB con patrón de malla o bucle; las líneas de tierra deben ser lo más gruesas posible y se debe aplicar más lámina de cobre para fortalecer el efecto de blindaje; la tierra analógica debe aislarse de la tierra digital y la conexión paralela de punto único debe aplicarse en la tierra de baja frecuencia de tierra analógica. La conexión en serie multipunto debe aplicarse en tierra de alta frecuencia. En el enrutado práctico, la conexión en serie puede combinarse con la conexión paralela.
b. El ancho de las líneas de alimentación debe aumentarse siempre que sea posible y la resistencia del bucle debe reducirse para asegurar la sincronización entre la dirección de las líneas de tierra y alimentación y la de transmisión de datos. Para PCBs multicapa, la distancia entre las líneas de alimentación y el plano de tierra o plano de alimentación debe reducirse. La alimentación debe suministrarse a cada unidad funcional de forma independiente y los circuitos con alimentación suministrada por alimentación pública deben estar cerca y ser compatibles entre sí.
c. Las líneas de señal deben ser lo más cortas posible para asegurar la reducción de la ruta de acoplamiento de señales de interferencia. Las líneas de señal de reloj y líneas de señal sensibles deben enrutarse primero, luego vienen las líneas de señal de alta velocidad y finalmente las líneas de señal insignificantes. Si las líneas de señal no son compatibles entre sí, se debe implementar un procesamiento de aislamiento para evitar la generación de interferencia de acoplamiento. El enrutado de señales clave no puede superar el área de separación o incluso el espacio del plano de referencia causado por pad y vía through-hole. De lo contrario, el área del bucle de señal aumentará. Mientras tanto, para prohibir la radiación de borde, la distancia entre las líneas de señal clave y el plano de referencia no puede ser menor a 3H (H se refiere a la altura entre las líneas de señal clave y el plano de referencia).

Lo único que debemos temer es el miedo en sí mismo. Para los ingenieros electrónicos, en el proceso de diseño de PCB, quizás la interferencia siempre les decepcione. Sin embargo, mientras sepamos de dónde proviene la interferencia y tomemos medidas efectivas, la interferencia definitivamente se reducirá con el rendimiento del PCB plenamente realizado.

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