EMI en el diseño de tu PCB de alta velocidad: Entiende el tiempo de subida de la señal

Los niños de hoy en día no tienen idea de por qué el acoplamiento de señales electromagnéticas entre circuitos cercanos se llama "diafonía". En aquellos tiempos en que los teléfonos se enchufaban a la pared y no incluían una pantalla táctil ni acceso a internet, era posible escuchar débiles susurros de otras conversaciones que se filtraban en tu línea telefónica. Las PCB de alta velocidad experimentan el mismo tipo de problema con la diafonía, y está relacionado con el comportamiento de las señales digitales que se propagan en las pistas de la placa.

Entender la diafonía y la EMI en general, ya sea dentro de una PCB o proveniente de alguna fuente externa, requiere comprender cómo la señal en una pista interactúa con otra pista. Si puedes evaluar la diafonía en un diseño de alta velocidad real, es fácil determinar cómo debería cambiar el diseño para reducir la EMI y la diafonía. Hay algunas reglas generales que funcionarán bien en diseños de velocidad moderada, pero ayuda usar simulaciones para entender mejor cómo tus diseños de alta velocidad experimentarán la diafonía antes de que pases por una revisión de la placa.

Desglosando el Término “Diseño de Alta Velocidad”

Lo hemos señalado en otras partes de este blog, pero merece ser mencionado nuevamente aquí: un diseño de alta velocidad no significa alta frecuencia de reloj o alta tasa de datos. Las señales de alta velocidad tienen un tiempo de subida rápido, lo que significa una transición rápida entre dos niveles de voltaje. Lo mismo se aplica a señales de múltiples niveles, donde hay una transición muy rápida entre los diversos niveles de señal. Un tiempo de subida/bajada de señal más rápido puede crear problemas de EMI más fuertes, particularmente diafonía, en varias partes de un PCB. Esto es cierto incluso si la frecuencia del reloj del sistema es bastante baja. Una frecuencia de reloj más rápida simplemente significa que cualquier perturbación debido a EMI ocurrirá más a menudo.

Los principales problemas de EMI en un diseño de alta velocidad incluyen:

• Diafonía, principalmente debido al acoplamiento inductivo a bajas frecuencias y debido al acoplamiento capacitivo a frecuencias mucho más altas
• EMI radiada, donde la EMI de señales digitales se irradia sobre un amplio rango de frecuencias que abarca desde DC hasta múltiples armónicos del reloj del sistema
• Glitches en el bus de alimentación, que incluye rebote de suministro y rebote de potencia, creando ondulaciones en el rizado de CC medido entre los rieles de alimentación y tierra
• EMI conducida, donde el ruido en un interconector se conecta en otro lugar a otro componente, circuito o interconector, aunque esto es menos problemático en componentes digitales

Tenga en cuenta que los mismos efectos surgen con el enrutamiento de pares diferenciales, lo que lleva a diafonía y EMI en modo diferencial. Estos aspectos de la EMI en PCBs digitales de alta velocidad se relacionan todos con el tiempo de subida/bajada de una transición de señal.

EMI y Velocidad de Conmutación

Estos se relacionan con la velocidad de conmutación de señal en un PCB. Estos aspectos de la EMI se vuelven desafiantes en el diseño de alta velocidad debido al ancho de banda de una señal digital típica. La potencia en una señal digital se concentra desde DC hasta frecuencias muy altas (técnicamente infinitas). En particular, una aproximación aproximada es que el 70% de la potencia se concentra desde DC hasta la frecuencia de codo, que es igual a aproximadamente un tercio del inverso del tiempo de subida/bajada de la señal (del 10% al 90%).

Densidad espectral de potencia de un ejemplo de señal digital.

Todo esto significa que, cuando el tiempo de subida es más rápido, la EMI es más intensa. Dado que generalmente no se puede optar por componentes más lentos en ninguna situación, los diseñadores necesitan tomar algunos pasos simples para suprimir la EMI en un diseño de alta velocidad.

Señalización Analógica de Alta Frecuencia vs. Señalización Digital de Alta Velocidad

Muchos ingenieros a los que he enseñado en el pasado no piensan en las señales digitales como ondas, sino que ven las señales digitales como si estuvieran encendidas o apagadas, donde el campo eléctrico existe en todo el interconector que lleva la señal digital. En longitudes de interconexión muy bajas, esto es técnicamente correcto, pero no significa que los interconectores cortos exhiban más o menos EMI. La transición de la señal ascendente todavía crea EMI en un rango de frecuencias, en lugar de en una única frecuencia.

En comparación con las señales digitales, las señales analógicas son simples. El principal factor de preocupación es la frecuencia de la señal y el retraso de propagación debido a la velocidad finita de las ondas electromagnéticas. Una comparación entre el período de oscilación (es decir, inverso de la frecuencia de la señal) y el retraso de propagación en un interconector dado determina si necesitas preocuparte por el comportamiento de la línea de transmisión y si la terminación de traza se vuelve crítica.

Soluciones Potenciales: No Hay una Solución Mágica

Aunque la EMI en la señalización digital de alta velocidad no se puede eliminar completamente, se puede suprimir utilizando varios métodos:

• Dimensionamiento de trazas: El enrutamiento de trazas críticas directamente sobre un plano de tierra y el uso de trazas ligeramente más anchas reduce la inductancia de bucle, lo que disminuye la cantidad de diafonía generada y recibida
• Cobre aterrizado: Una traza conectada a tierra puede ser enrutada entre trazas agresoras y víctimas en el PCB, lo que puede proporcionar una reducción de aproximadamente 20 dB en la diafonía. Note que esta traza de tierra debe corresponder a la referencia de tierra tanto para las trazas agresoras como para las víctimas. También se puede utilizar un relleno de polígono conectado a tierra para llenar el espacio entre trazas y diferentes bloques de circuitos.
• Estructuras de aislamiento: Algunas estructuras únicas en la capa superficial de un PCB pueden proporcionar aislamiento a frecuencias muy altas. Estas estructuras pueden ser tan simples como paredes de cobre aterrizadas alrededor de bloques de circuitos críticos, o complejas estructuras de banda prohibida electromagnética utilizadas en smartphones modernos.
• Capas internas: No temas enrutarte en capas internas, pero asegúrate de aplicar tus reglas de diseño de control de impedancia para asegurar que las líneas de transmisión internas tendrán la impedancia correcta.

PCB azul con trazas densas

Intentar suprimir la EMI en diseños de alta velocidad debido al diafonía presenta una serie de desafíos. Afortunadamente, puedes verificar que tu enrutamiento no experimentará diafonía excesiva cuando usas las mejores herramientas de diseño de PCB de la industria encontradas en Altium Designer^®. Tendrás acceso a las mejores herramientas de diseño y disposición de PCB que ayudan a automatizar el enrutamiento y la documentación de la placa, y tendrás acceso a herramientas de análisis de integridad de señal que te ayudan a diseñar con inmunidad a la EMI en mente.

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