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

La interferencia electromagnética (EMI) es un fenómeno que puede afectar negativamente a un diseño de PBC si no se aborda de forma adecuada y cuidadosamente. Una de las formas más utilizadas de contener las interferencias electromagnéticas, aunque no necesariamente bien entendida, es mediante el uso de una jaula de Faraday. Este artículo en dos partes proporcionará una visión general de lo que es la EMI, cómo puede interferir con otros productos, y cómo hacer frente a la EMI a través del diseño exitoso y la implementación de jaulas de Faraday. En este artículo se tratará qué es la EMI y de dónde procede; las conexiones a tierra y cómo se aplican a los circuitos electrónicos; cómo sacar el calor de una jaula de Faraday manteniendo la EMI dentro; cómo hacer entrar y salir señales de una jaula de Faraday sin dejar salir EMI; cómo alimentar un producto sin dejar salir EMI, y cómo construir una jaula de Faraday para productos montados en bastidores (o racks) que tengan tarjetas insertables y placas madre.

La Parte 1 de este artículo tratará sobre las diversas formas en que la EMI se escapa de los productos y cómo construir una jaula de Faraday para contenerla. La parte 2 se centrará en la alimentación de un producto sin dejar salir EMI; la construcción de una jaula de Faraday para productos montados en bastidor, y si la tierra lógica debe o no conectarse a una jaula de Faraday.

¿Qué es la EMI y de dónde proviene?

Como ya se ha dicho, EMI son las siglas en inglés de Interferencia Electromagnética. En las configuraciones electrónicas, la IEM se escapa de un producto e interfiere con otro. Esto puede ocurrir de dos maneras:

• La energía electromagnética se puede irradiar hacia el espacio porque hay una antena accidental que se extiende desde el producto. 
   
• La energía electromagnética puede ser conducida fuera de las líneas de alimentación del producto y hacia los terminales de alimentación de otro producto.

El estándar comercial para la EMI irradiada se mide en la banda de frecuencias de 30 MHz a 1 GHz o hasta 5 veces la frecuencia del reloj más alta, la que sea mayor. La EMI conducida se mide en la banda de frecuencias de150 KHz a 30 MHz.

CEM significa Compatibilidad Electromagnética (el acrónimo en inglés de Electromagnetic Compatibility). Esto significa que un producto se ha diseñado de forma que no sufra interferencias de otros productos como consecuencia de la IEM, ya sea radiada o conducida. En otras palabras, el ruido en forma de radiación electromagnética procedente de otra fuente que puede provocar el mal funcionamiento de un producto no le afecta. La jaula de Faraday también resuelve este problema.

En pocas palabras, la IEM radiada es un enlace de radio no deseado. Si pensamos en lo que se necesita para crear un buen enlace de radio (es decir, un transistor), resulta más fácil entender lo que hay que hacer para eliminar un problema de IEM. Los dos elementos necesarios en 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.

Dado que la electrónica moderna funciona muy por encima del punto de partida de 30 MHz para medir la IEM radiada, suprimirla con núcleos de ferrita y otros métodos similares no es una opción viable. Por lo tanto, la eliminación de las antenas accidentales se convierte en el método de facto para eliminar la EM

Algunos elementos que hacen buenas antenas incluyen:

• 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 tratar las posibles antenas (cables). Estas son:

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

A efectos de esta explicación, nos centraremos en las jaulas de Faraday y su papel en la supresión de la EMI. Las jaulas de Faraday son recintos metálicos que rodean un producto que irradia energía en la banda EMI. La jaula de Faraday refleja esta energía en el producto, pero rara vez la absorbe, y es el método definitivo para contener la EMI. Una jaula de Faraday es necesaria cuando un sistema tiene varias placas de circuito impreso (PCB) o cuando hay componentes grandes que sobresalen y pueden servir de antenas.

Como se ha indicado anteriormente, la propia jaula de Faraday puede servir de antena si está conectada a tierra lógica en más de un lugar. Esto a veces se denomina erróneamente "puesta a masa". Este error es más común si se conecta la tierra lógica a la jaula de Faraday en la placa base del sistema, y luego también se conecta la tierra lógica a las placas frontales de las tarjetas insertables.

Un indicio de que esto ha ocurrido es cuando se detecta EMI en las "fisuras". A menudo hemos oído decir que la IEM "se escapa" por las grietas o costuras de la caja. La jaula de Faraday suele estar compuesta por partes del bastidor, como los laterales de una jaula de tarjetas. Debido a esto, el término "puesta a masa" se utiliza a menudo cuando se habla de la contención de EMI. Estos términos son confusos, ya que pueden inducir a error a los desarrolladores de productos. Nosotros utilizamos el término "jaula de Faraday" sólo cuando hablamos de EMI y lo representamos con el símbolo indicado a la derecha. Es cierto que algunas partes de la carcasa se utilizan como parte de la jaula de Faraday, pero la "carcasa" no es el recipiente de contención de la EMI.

El uso de la palabra "tierra" en las discusiones sobre IEM provoca confusión. Con respecto a la IEM, tierra no es un lugar mágico. Una buena definición de "tierra" fue hecha por Bruce Archambault de IBM para evitar a los ingenieros de usar la palabra en discusiones sobre EMI.

Definición de “Tierra” en inglés “Ground”

Las jaulas de Faraday pueden construirse con cualquier tipo común de metal. La figura 1 es un ejemplo de producto construido con jaula de Faraday. Cuando se pinta la carcasa, es importante asegurarse de que la pintura no cubra las zonas donde se necesitan las uniones metálicas, como entre las distintas partes de la jaula de Faraday y los bordes de la placa frontal.

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 ha sido rodeado por una jaula de Faraday, no sólo es hermético a la EMI, sino que también es hermético al calor. Dado que este calor puede hacer que un producto funcione incorrectamente o falle por completo, es importante poder eliminar el calor del producto.

Por ejemplo, en los ordenadores portátiles el calor se elimina mediante una placa térmica que lo conduce a la carcasa exterior del ordenador. En los productos más grandes, donde esto no es práctico, el calor se disipa con aire en movimiento. En los productos que tienen una disipación de calor modesta, el aire se mueve por convección. Para los productos que tienen más calor del que puede manejar la convección, se utilizan ventiladores. En todos los casos, el aire debe poder entrar en el producto y salir de él. Esto significa que tiene que haber aberturas en la jaula de Faraday que sean lo suficientemente grandes como para permitir que el aire se mueva a través de ellas y, al mismo tiempo, lo suficientemente pequeñas como para evitar que se escape la EMI.

Se ha especulado mucho sobre el tamaño del agujero que puede hacerse sin crear una fuga de IEM. No hemos visto ningún documento que ilustre claramente cómo determinar el tamaño del agujero que cumpliría este criterio. En su lugar, hemos empleado los métodos que siempre utilizamos: construir estructuras de prueba y, a continuación, realizar las mediciones. A través de nuestros experimentos, hemos determinado que las mallas con agujeros no mayores de ¼", 6,35 mm, contendrán EMI hasta al menos 10 GHz. Se puede perforar una serie de agujeros en la superficie de la jaula de Faraday. A continuación, una pantalla puede ser firmemente montada en un agujero en la jaula de Faraday. También es posible disponer de una malla como el que se muestra en la figura 2, que puede montarse en la parte superior e inferior de una jaula de tarjetas por encima y por debajo de las ranuras. Si se utilizan pantallas o mallas alveoladas, deben estar adheridos a la jaula de Faraday en todo su perímetro.

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

Contener la EMI mientras las señales entran y salen

Construir una jaula de Faraday herméticamente cerrada es una forma segura de contener la EMI. Sin embargo, el producto rodeado por la jaula de Faraday tiene poco valor a menos que las señales también puedan entrar y salir.

Una forma de resolver el problema anterior es con la fibra óptica. Con esta tecnología, no hay vías conductoras de entrada o salida de la caja por las que 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 tipos de señales que entran y salen de un producto por 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

Las señales que circulan por cables sin apantallar o blindar son:

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

La manipulación de las señales que viajan por un cable apantallado es muy sencilla. Este apantallamiento es una extensión de la jaula de Faraday, por lo que debe conectarse con una conexión de inductancia muy baja a la jaula. Esto se consigue conectando la pantalla del cable a la carcasa del conector por el lado del cable y conectando la carcasa del conector a la jaula de Faraday por el lado del producto. Es importante tener en cuenta que no es conveniente conectar la carcasa del conector a la tierra lógica cuando forma parte de la jaula de Faraday.

Hay casos en los que no es posible realizar una conexión de CC (corriente continua) entre el apantallamiento del cable y la jaula de Faraday, como en la versión 10Base2 de Ethernet. Si no hay conexión entre el apantallamiento y la jaula de Faraday, el apantallamiento podría terminar convirtiéndose en una antena no deseada. La Figura 3 es un ejemplo de una Ethernet 10Base2 que sale por el extremo de una placa que se conecta a la placa base de la izquierda.

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

Dado que el circuito se encuentra en el extremo de una placa de circuito impreso (PCB) que está conectada a la placa base, habrá gradientes de tensión de CA y CC entre la "tierra" de la placa base y la placa frontal de la PCB que forma parte de la jaula de Faraday. En la mayoría de los casos, los planos de tierra de la placa base formarán un lado de la jaula de Faraday, mientras que las placas frontales de las placas enchufables formarán el otro lado. El ruido de CA 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 resultado, este ruido se impresionará sobre apantallamiento y en los conductores centrales del cable apantallado o blindado. Si este apantallamiento está conectado a la jaula de Faraday, este ruido sólo viajará por el interior del apantallamiento, por lo que no habrá EMI.

El problema del circuito anterior es el requisito de Ethernet de que no haya conexión de CC a la jaula de Faraday. Esto deja como única opción una conexión de CA en forma de conexión de condensador. Otro requisito es que el condensador sea capaz de soportar una tensión de 1700 VDC. No hay condensadores que tengan tanto la tensión de ruptura requerida como la capacidad de realizar una conexión de baja impedancia entre el apantallamiento y la jaula de Faraday en la banda de frecuencia de EMI radiada. Como resultado, se pueden producir las emisiones que se muestran en la Figura 4.

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

Para que el apantallamiento cumpla su función, se necesita un método de conexión a la jaula de Faraday que cumpla con las condiciones eléctricas de tensión de ruptura de 1700 V e impedancia de CA de 30 MHz a 1 GHz. Un condensador de placas paralelas fabricado a partir de los planos de la PCB puede hacer este trabajo. La figura 5 muestra cómo se construye este tipo de condensador.

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

La figura 5 es el extremo derecho de una PCB de "placa hija" (o "dauhterboard") que se extiende hacia la izquierda y se conecta a un conector de placa base. La última pulgada del área de las cuatro capas se ha separado del resto de la PCB mediante cortes de plano. El área de las capas superior e inferior se ha inundado con cobre y se ha conectado a la placa frontal mediante los tornillos de montaje de la placa frontal. Esta zona sirve como una placa de un condensador plano conectado a la jaula de Faraday. El área plana en las dos capas interiores se divide en dos segmentos para crear una placa de condensador para cada uno de los dos conectores axiales. El apantallamiento de cada conector coaxial se conecta a estas placas internas formando la segunda placa de un condensador de muy baja inductancia de aproximadamente 370pf que se conecta a la jaula de Faraday. El espesor mínimo del aislamiento es de 8 mils para una tensión de ruptura superior a 8000 V. Se ha realizado una conexión de CA entre los apantallamientos y la jaula de Faraday que cumple ambos requisitos eléctricos. La figura 6 muestra las emisiones una vez realizada la conexión de CA.

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

Las emisiones se han reducido drásticamente asegurando que el blindaje o apantallamiento del cable tenga una conexión de baja impedancia con la jaula de Faraday. La razón por la que el condensador de placas paralelas fue eficaz y el condensador discreto no lo fue se debe a la muy baja inductancia del condensador de placas. Esto puede haber llevado a pensar a algunos gurús de la EMI que esta ciencia es "magia negra". Los condensadores discretos funcionaban en el pasado cuando las cosas eran más lentas y ahora no lo hacen debido a su inductancia parásita.

Los condensadores construidos a partir de las capas de una placa de circuito impreso (PCB) también pueden utilizarse para construir filtros de paso bajo que funcionen en una gama muy amplia de frecuencias. Esta técnica funciona para las líneas de control que salen de la jaula de Faraday hacia las bandejas de ventiladores o que van a los periféricos del teclado y el ratón. Todo lo que se necesita es unir un gran parche de cobre en una capa de señal a la señal antes de que 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 un router Terabit.

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

Los dos parches rectangulares de cobre de la figura 7 forman condensadores de placas paralelas con los planos de tierra de la placa base. En este caso, los planos de tierra de la placa base forman un lado de la jaula de Faraday. Se conectan a las trazas que transportan las señales de control del ventilador cuando salen de la jaula de Faraday, creando un filtro de paso bajo que impide que las altas frecuencias salgan por este camino. Una técnica similar puede utilizarse en otras líneas que salen de un producto sin blindaje.

Una versión más común de una conexión Ethernet es con UTP (pares trenzados no apantallados). Cuando este tipo de circuito se encuentra en el extremo de una placa insertable como la que se muestra en la Figura 3, es seguro que se producirá un problema de EMI. Este problema puede resolverse utilizando un transformador con una toma central en al bobina secundaria como el que se muestra en la Figura 8. El condensador plano está ligado entre la toma central de la bobina secundaria y la jaula de Faraday, desviando el ruido hacia ella.

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

A continuación, la Parte 2 del artículo: Cómo obtener energía sin que salga EMI, y mucho más.

Descubre cómo definir los nuevos desafíos y cómo diseñar el Sistema de Distribución de Energía Eléctrica (PDS) para satisfacer las necesidades de las nuevas tecnologías. ¿Tienes más preguntas? Llama a un experto en Altium.

Referencias:

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