Cómo construir una jaula de Faraday para contener la EMI, Parte 1

Kella Knack
|  Creado: November 4, 2019  |  Actualizado: February 8, 2021

La interferencia electromagnética (o EMI, por sus siglas en inglés) es un fenómeno que puede afectar negativamente a un diseño si no se corrige apropiada y cuidadosamente. Uno de los métodos más utilizados, pero no necesariamente el mejor comprendido, para contener la EMI es mediante una jaula de Faraday. En este artículo de dos partes, ofreceremos un panorama general de lo que es la EMI, cómo puede interferir con otros productos y cómo evitar sus efectos mediante un buen diseño e implementación de las jaulas de Faraday. En el artículo incluiremos una explicación de lo que es la EMI y de dónde proviene; las puestas a tierra y cómo aplicarlas a circuitos electrónicos; cómo retirar el calor de una jaula de Faraday pero manteniendo la EMI en su interior; cómo entran y salen señales de una jaula de Faraday sin dejar salir la EMI; cómo enviar energía eléctrica a un producto sin que se produzca EMI, y cómo crear una jaula de Faraday para productos que van montados sobre bastidores (o “racks”) con tarjetas insertables y placas madre. 

La parte 1 de este artículo tratará sobre las diversas maneras en que la EMI escapa de los productos y sobre cómo crear una jaula de Faraday para contenerla. La parte 2 se enfocará en cómo enviar potencia a un producto sin dejar salir EMI; cómo crear una jaula de Faraday para productos que van montados sobre bastidores y si una jaula de Faraday debe ir conectada o no a una tierra lógica.

¿Qué es la EMI y de dónde proviene?

Como se indicó anteriormente, EMI es el acrónimo en inglés de Interferencia Electromagnética (ElectroMagnetic Interference). En las configuraciones electrónicas, la EMI escapa de un producto e interfiere con otro. Esto puede ocurrir de dos maneras:

  • La energía electromagnética se puede irradiar hacia el espacio porque un elemento que sobresale del producto actúa accidentalmente como una antena
  • La energía electromagnética puede ser conducida por los cables eléctricos del producto hacia las terminales eléctricas de otro producto

El estándar comercial para la EMI irradiada se mide en la banda de frecuencias entre 30 MHz y 1 GHz o cinco veces la frecuencia del reloj, la que sea mayor. La EMI conducida se mide en la banda de frecuencias entre los 150 KHz y los 30 MHz.

EMC significa Compatibilidad Electromagnética (el acrónimo en inglés de Electromagnetic Compatibility). Esto implica que un producto ha sido diseñado para no resultar afectado por la EMI de otros productos, ya sea irradiada o conducida. En otras palabras, el ruido en forma de radiación electromagnética proveniente de otra fuente que pueda causar desperfectos no lo afecta. Una jaula de Faraday también resuelve este problema.

En términos sencillos, la EMI irradiada es un radioenlace no deseado. Si pensamos en lo que es necesario para crear un buen radioenlace (es decir, un transistor), se vuelve más sencillo entender lo que hace falta hacer para eliminar un problema de EMI. Los dos elementos que conforman un radiotransmisor son:

  • Una fuente de energía RF(transmisor).
  • Una superficie radiante (antena).

El control de la EMI implica la eliminación de la fuente o de la antena.

Las reglas generales que se usan en la comunidad de ingenieros han tendido a enfocarse en eliminar la fuente de la EMI. Estos métodos se desarrollaron en la década de 1980, cuando las frecuencias operativas de los productos eran bastante inferiores al límite mínimo de 30 MHz para medir la EMI. En aquel entonces, los ASIC ocasionalmente tenía velocidades lo suficientemente elevadas como para generar ruido en el rango de entre 30 MHz y 1 GHz. La inserción de un núcleo de ferrita en el cable de alimentación de estos dispositivos evitaba que operase a una velocidad en la que se pudiera generar EMI. Estas técnicas se enfocaban en la eliminación de la fuente de la EMI.

Como los dispositivos electrónicos modernos operan a frecuencias mucho mayores al punto de partida de 30 MHz para medir la EMI, suprimirla con núcleos de ferrita y otros métodos similares no es una opción viable. Por tanto, la eliminación de antenas accidentales se vuelve el método de facto para eliminar la EMI.

Algunos elementos que se convierten en unas antenas muy buenas son:

  • Objetos o piezas que sobresalgan de la PCB, como marcos PLCC y otros elementos que salen de la PCB. Esto incluye cables no apantallados que vayan a dispositivos como ratones y monitores. 
    1. Algunos objetos o piezas que no son buenas antenas son elementos que no sobresalgan, como las pistas de una PCB.
  • Dos PCB unidas por un conector, como un conector DIMM, forman un dipolo (es decir, una antena).
  • Las PGA (Matriz de Rejilla de Pines) y las BGA (Matriz de Malla de Bolas) en las tomas hacen buenas antenas.

Además:

  • Un conjunto de dos tarjetas suele comportarse como un dipolo.
  • Un cable sin apantallamiento que sale de una jaula de Faraday será una antena.
  • Conectar una tierra lógica a una jaula de Faraday en más de un lugar suele convertir a la jaula en una antena.
  • El marco de conexión de un componente que sobresalga por encima de una PCB es una antena.
  • El cortar planos de tierra puede convertir a una PCB en un dipolo.
  • Conectar el panel frontal de un módulo enchufable a una tierra lógica convertirá al panel en una antena.

Jaulas de Faraday y EMI

Existen tres maneras de lidiar con potenciales antenas (cables). Estas son:

  • Apantallarlos cuando salen del producto.
  • Colocar un filtro paso bajo en serie con la antena en el punto en que sale del producto.
  • Colocar al producto dentro de una jaula de Faraday.

Para propósitos de esta explicación, nos enfocaremos en las jaulas de Faraday y en el papel que juegan en la eliminación de la EMI. Las jaulas de Faraday son recintos que rodean a un producto que irradia energía en la banda de EMI. La jaula de Faraday refleja esta energía hacia el producto pero casi nunca la absorbe, y es el método más eficaz para contener la EMI. Una jaula de Faraday es necesaria cuando un sistema tiene múltiples PCB o cuando existen componentes de gran tamaño que sobresalen y que pueden actuar como antenas. 

Tal como se indicó anteriormente, la Jaula de Faraday en sí misma puede servir como antena si está conectada a una tierra lógica en más de un punto. A esto se le llama a veces, erróneamente, "puesta a masa" Este error se comete con frecuencia si se conecta la tierra lógica a la jaula de Faraday en la placa base del sistema, y después también se conecta la tierra lógica a los paneles frontales de las tarjetas insertables.

Un indicador de que esto puede haber ocurrido es cuando se detecta EMI en las "fisuras". Esto a veces se ha descrito como "fugas" de EMI en las fisuras o rendijas de la caja. La jaula de Faraday suele estar conformada por partes del bastidor, como los lados del rack para tarjetas. A causa de esto, el término "Puesta a masa" se usa con frecuencia al hablar de contención de EMI. Estos términos son confusos y pueden desorientar a los desarrolladores de productos. Usamos el término "Jaula de Faraday" solo cuando se habla de EMI, y se representa con el símbolo indicado a la derecha. Cierto es que algunas partes del armazón se usan como parte de la jaula de Faraday, pero el "armazón" no es el receptáculo de contención de la EMI.

El uso de la palabra "tierra" al hablar de EMI causa confusión. En términos de la EMI, la tierra no es un lugar mágico. Una buena definición de "tierra" es la propuesta por Bruce Archambault de IBM, para evitar que los ingenieros usen esa palabra cuando se habla de la EMI.

Ground: The place where one plants seeds in the hope that come summertime there will be a good crop of tomatoes.

Definición de “Tierra” en inglés “Ground”

Las jaulas de Faraday se pueden construir con cualquier metal común. La figura 1 es un ejemplo de un producto con una jaula de Faraday. Cuando el armazón esté pintado, es importante asegurarse de que la pintura no cubra las áreas en las que hacen falta contacto directo con el metal, como entre las diversas partes de la jaula de Faraday y los bordes del panel frontal.

A Typical Card Cage Based Faraday Cage

Figura 1. Una jaula de Faraday típica basada en un rack para tarjetas

Sacar el calor de la jaula de Faraday y mantener la EMI en su interior

Una vez que un producto esté rodeado por una jaula de Faraday, no solamente sellará “herméticamente” toda la EMI, sino también todo el calor generado. Como este calor puede hacer que el producto funcione mal o simplemente falle, es importante poder extraer el calor del producto.

Por ejemplo, en el caso de los ordenadores portátiles, el calor se elimina mediante un disipador de placas que conduce al calor fuera de la carcasa de la portátil. En productos de mayor tamaño en que esto no resulta práctico, el calor se disipa haciendo fluir aire. En productos con un nivel moderado de disipación de calor, el flujo de aire ocurre por convección natural. Para aquellos productos que produzcan más calor del que se puede disipar por convección natural, se utilizan ventiladores. En todos los casos, es necesario que el aire pueda entrar y salir del producto. Esto significa que tienen que haber aperturas en la jaula de Faraday que sean lo suficientemente grandes como para que el aire pueda fluir, pero lo suficientemente pequeñas como para que la EMI no escape.

Ha habido un montón de especulación acerca del tamaño máximo que pueden tener estos agujeros antes de generar una fuga de EMI. No hemos visto ningún documento que ilustre claramente cómo determinar el tamaño del agujero para cumplir con este criterio. En su lugar, hemos empleado los métodos de siempre: crear estructuras de prueba y después hacer las mediciones. Mediante nuestra experimentación, hemos determinado que las mallas cuyos agujeros tengan un máximo de 1/4" (6,35 mm) son capaces de contener EMI hasta 10 GHz. Es posible perforar una matriz de agujeros en la superficie de la jaula de Faraday. Después se puede montar una pantalla en un agujero en la jaula de Faraday. También es posible montar una malla alveolada, tal como se muestra en la figura 2, en las partes superior e inferior del rack para tarjetas, por arriba y por debajo de las ranuras. Si se usan pantallas o mallas alveoladas, deben estar conectadas a la jaula de Faraday en todo su perímetro. 

A honeycomb screen used as a Faraday cage that allows air out while keeping EMI in

Figura 2. Una pantalla alveolada que permite salir al aire pero contiene la EMI

Contener la EMI mientras las señales entran y salen

Una jaula de Faraday hermética es una manera segura de contener la EMI. Sin embargo, el producto que está rodeado por la jaula de Faraday no resultará muy útil a menos que las señales puedan entrar y salir.

Una manera de resolver este problema es con fibra óptica. Con esta tecnología, no hay rutas de conductividad que entren o salgan de la caja a través de las cuales pueda viajar la EMI. Como resultado, resulta relativamente fácil hacer que los productos con interfaces de fibra óptica, como routers de gran tamaño, cumplan con las especificaciones de EMI. Para otros productos, el enfoque sería diferente.

Existen dos clases de señales que entran y salen de un producto mediante los cables. Estas son:

  • Cables apantallados, como cables coaxiales
  • Pares trenzados apantallados sobre cables sin apantallamiento
  • Algunas de las señales que viajan a través de cables apantallados serían
  • Ethernet 10Base2
  • USB
  • FireWire
  • RS232
  • Señales gráficas en conectores DIN de 9 pines
  • Señales RF desde y hacia las antenas
  • Cables infiniband
  • HDMI

Algunas de las señales que viajan a través de cables sin apantallamiento serían:

  • Conexiones a ratones
  • Controles de ventiladores
  • Ethernet en pares trenzados sin apantallamiento (UTP)
  • Conexiones al teclado
  • Cables de alimentación

El manejo de las señales que viajan a través de cables apantallados es simple.  Este apantallamiento es una extensión de la jaula de Faraday, de modo que debe estar conectado a una conexión de muy baja inductancia a la jaula. Esto se logra conectando el apantallamiento del cable a la carcasa del conector del lado del cable, y conectando la carcasa del conector a la jaula de Faraday del lado del producto. Es importante tener en cuenta que no se debe conectar la carcasa del conector a una tierra lógica cuando sea parte de la jaula de Faraday.

Existen casos en que no es posible hacer una conexión DC entre el apantallamiento del cable y la jaula de Faraday, como ocurre con la versión 10Base2 de Ethernet. Si no existe una conexión entre el apantallamiento y la jaula de Faraday, el apantallamiento mismo podría terminar convirtiéndose en una antena indeseada. La Figura 3 es un ejemplo de una señal Ethernet 10Base2 que sale de la tarjeta que va enchufada a la placa base de la izquierda. 

Coaxial cable connected to plane capacitance to the ground and to an output transformer with parasitic capacitance to the output driver

Figura 3. Conexión de un cable Ethernet 10Base2 a una jaula de Faraday

Como el circuito está ubicado en el extremo de una PCB que va conectada a la placa base, existirán gradientes de voltaje tanto AC como DC entre la "tierra" y la placa base de la PCB que es parte de la jaula de Faraday. En la mayoría de los casos, el plano de tierra en la placa base es una de las caras de la jaula de Faraday, mientras que los paneles frontales de las tarjetas insertables conformarán la otra cara. El ruido de AC en el circuito se acoplará de la salida primaria del transformador a la secundaria a través de la capacitancia parásita que existe entre ambas. Como producto de esto, el ruido se imprimirá sobre el apantallamiento y los conductores centrales del cable apantallado. Si este apantallamiento está conectado a la jaula de Faraday, el ruido solamente viajará en el interior del apantallamiento, así que no habrá EMI.

El problema con el circuito antes mencionado es que la Ethernet exige que no haya una conexión DC a la jaula de Faraday. La única opción que esto nos deja es una conexión AC en forma de una conexión a un condensador. Un requerimiento adicional es que este condensador sea capaz de resistir un voltaje de 1700 VDC. No existen condensadores que tengan simultáneamente el voltaje de ruptura necesario y la capacidad de hacer una conexión de baja impedancia entre el apantallamiento y la jaula de Faraday en la banda de EMI irradiada. Como resultado, pueden ocurrir las emisiones indicadas en la figura 4. 

Figure showing AB1000 emissions of a 10Based 2 Ethernet Cable without a Plane Capacitor as a function of signal frequency in that cable.

Figura 4. Las emisiones de un cable 10Base2 sin un condensador plano en la Figura 5

Para que el apantallamiento pueda funcionar, hace falta hallar un método para conectarlo a la jaula de Faraday que cumpla con las condiciones eléctricas de un voltaje de ruptura de 1.700 V y una impedancia AC de 30 MHz a 1 GHz. Un condensador de placas paralelas conformado por los planos de la PCB puede lograrlo. La figura 5 muestra cómo se construye este tipo de condensador.

Planes in PCB layers act as parallel plate capacitors as depicted in this figure showing the four layers of a PCB to be connected to a coaxial cable.

Figura 5. Condensadores de placas paralelas conformados por las capas de la PCB

La figura 5 es el extremo derecho de una PCB que es una tarjeta "hija" (o "daughterboard") que sobresale hacia la izquierda y que se conecta a la placa base. La última pulgada del área en las cuatro capas se ha separado del resto de la PCB por cortes de plano. El área en las capas superior e inferior se ha recubierto de cobre y se ha conectado al panel frontal usando los tornillos de montaje del panel. Esta área sirve como una de las placas de un condensador plano conectado a la jaula de Faraday. El área del plano en las dos capas interiores está dividida en dos segmentos para crear una placa de condensador para cada uno de los conectores axiales. El apantallamiento de cada conector coaxial está conectado a estas placas internas para formar la segunda placa de un condensador de muy baja inductancia (aproximadamente 370 pf) que está conectada a la jaula de Faraday. El grosor mínimo del aislante es de 8 mils para un voltaje de ruptura mayor a los 8.000 V. Se ha hecho una conexión AC entre los apantallamientos y la jaula de Faraday que cumple con ambos requisitos eléctricos. La figura 6 muestra las emisiones después de haberse realizado la conexión AC.

AB1000 CISPRB Emissions shown in dB as a function frequency after adding a plane capacitor to the PCB

Figura 6. Emisiones de 10Base2 después de añadir un condensador plano a la PCB

Las emisiones se han reducido considerablemente garantizando que el apantallamiento del cable tenga una conexión de baja impedancia a la jaula de Faraday. El motivo por el cual el condensador de placas paralelas resultó eficaz, mientras que el condensador discreto no lo fue, es la muy baja inductancia del condensador de placas. Esto puede haber llevado a esa línea de pensamiento que algunos "gurús" de la EMI han adoptado, de que esta ciencia es "magia negra". Los condensadores discretos funcionaban antes, cuando las cosas funcionaban más lentamente, pero ahora ya no funcionan a causa de la inductancia parásita que crean.

Los condensadores creados con las capas de una PCB también se pueden usar para crear filtros paso bajo que funcionan para una amplia gama de frecuencias. Esta técnica funciona para líneas de control que salen de la jaula de Faraday hacia bandejas de ventilador o que van hacia los periféricos del teclado y el ratón. Todo lo que hace falta es fijar una gran lámina de cobre a una capa de señal antes de que la señal salga de la caja. La figura 7 es un ejemplo de esto para dos líneas de control de ventiladores que salen de una jaula de Faraday que rodea a un router del orden de los Terabits.

Plane Capacitor Built Into a Signal Layer of a Backplane

Figura 7. Condensador de placas integrado en la capa de señal de una placa base

Los dos parches rectangulares de cobre en la figura 7 conforman condensadores de placas paralelas junto con los plano de tierra de la placa base. En esta instancia, los planos de tierra en la placa base conforman una de las caras de la jaula de Faraday. Están fijados a las pistas que transmiten las señales de control a los ventiladores cuando salen de la jaula de Faraday, creado un filtro paso bajo que evita que salgan altas frecuencias por esta ruta. Una técnica similar puede usarse en otras líneas sin apantallamiento que salen de un producto.

Una versión más común de la conexión Ethernet es con pares trenzados sin apantallamiento (o UTP, del inglés "Unshielded Twisted Pairs"). Cuando este tipo de circuitos se ubican en el extremo de una tarjeta insertable, tal como se muestra en la figura 3, sin duda alguna surgirán problemas de EMI. Este problema se puede resolver usando un transformador con tap (o toma) central en la bobina secundaria, tal como se muestra en la figura 8. El condensador plano está entre la toma central de la bobina secundaria y la jaula de Faraday, desviando el ruido hacia esta.

Schematic showing plane capacitor connecting the center tap of an unshielded twisted pair (UTP) to a Faraday cage

Figura 8. Condensador plano conectando la toma central de un UTP a una jaula de Faraday.

A continuación, la parte 2: Cómo introducir energía sin que salga EMI, y mucho más.

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Referencias:

  1. Ritchey, Lee W. y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-SpeedPCB and System Design, Volume2.”

Sobre el autor / Sobre la autora

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Kella Knack es vicepresidenta de marketing de Speeding Edge, una empresa dedicada a la formación, consultoría y publicación sobre temas de diseño de alta velocidad como análisis de integridad de señal, diseño de PCB y control de EMI. Anteriormente, se desempeñó como consultora de marketing para un amplio espectro de empresas de alta tecnología que van desde empresas emergentes hasta corporaciones multimillonarias. También se desempeñó como editora de varias publicaciones comerciales electrónicas que cubren los sectores del mercado de PCB, redes y EDA.

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