Dominando el control de EMI en el diseño de PCB: Colocación de componentes para EMC

En este segundo artículo de la serie Domina el Control de la EMI en el Diseño de PCB, profundizaremos en uno de los conceptos clave para mantener bajos niveles de interferencia electromagnética (EMI).

La segregación de la placa, también conocida como particionamiento de la placa, es un método utilizado para organizar las diferentes partes del circuito de una Placa de Circuito Impreso (PCB) para mantenerlas separadas. Esto mejora el rendimiento general de la placa, particularmente en términos de EMI. Esta técnica no solo ayuda a reducir la interferencia electromagnética sino que también mejora la integridad de la señal del diseño de la PCB.

Los principios detrás de estas técnicas incluyen:

1. Contener el contenido de alta energía de las señales digitales de alta frecuencia.
2. Evitar el acoplamiento de impedancia común entre diferentes tipos de circuitos dentro de la placa.
3. Reducir las áreas de bucle de corriente para disminuir las emisiones y mejorar la inmunidad a interferencias externas.

Señales de Alta Velocidad vs. Baja Velocidad y Sus Armónicos

El primer concepto implica controlar el contenido armónico de alta energía producido por señales que cambian rápidamente y cómo su corriente cambia rápidamente con el tiempo. Una mayor tasa de cambio de corriente resulta en una mayor energía armónica en las señales, aumentando la probabilidad de radiación.

El segundo concepto es que la corriente de retorno de una señal varía con la frecuencia de la señal. Esto se debe a que la impedancia que una señal encuentra durante su propagación no solo consiste en la resistencia de los conductores, sino también en su capacitancia y, lo más importante, en su inductancia de bucle. A medida que la frecuencia de la señal aumenta, el componente inductivo de la impedancia (que depende de la frecuencia) se hace más grande.

Diferencias en los Caminos de Retorno

Dado que la corriente siempre busca el camino de menor impedancia, es importante entender que a medida que la frecuencia de la señal aumenta, la corriente de retorno sigue de cerca a la corriente de la señal para minimizar el bucle inductivo. Por el contrario, en frecuencias de señal bajas, donde la inductancia se vuelve pequeña, el componente resistivo de la impedancia se vuelve predominante.

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En esta etapa, la corriente de retorno se dispersa a través de la superficie del conductor para encontrar el camino de menor resistencia. El punto crítico para los diseñadores de PCB es que el camino de retorno de la corriente hacia la fuente depende de la frecuencia de la señal.

Figura 1 - Ejemplo de diferentes caminos de corriente de retorno basados en la frecuencia en Altium Designer

Nuestro trabajo como diseñadores de PCB es minimizar la interferencia entre estas corrientes de retorno para evitar el acoplamiento por impedancia común, lo que puede llevar a emisiones electromagnéticas. Para lograr esto, podemos crear zonas o secciones específicas en el PCB, cada una dedicada a un tipo particular de circuito. Esto también reduce los bucles de corriente, lo que lleva a menos radiación de las corrientes en modo diferencial.

Puede parecer tentador crear una división en el Plano de Referencia de Retorno (RRP) para aislar aún más las trayectorias de corriente de retorno de diferentes circuitos. Sin embargo, este enfoque no sigue las mejores prácticas para EMC porque crea una diferencia de voltaje entre dos áreas metálicas, formando una estructura similar a una antena que puede causar emisiones electromagnéticas.

Figura 2 - Ejemplo de una división incorrecta del plano en Altium Designer

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La solución es implementar un plano de referencia de retorno sólido y de baja impedancia que permita que la corriente de retorno encuentre el camino preferido de vuelta a la fuente. Este plano no debe tener cortes, divisiones ni grandes huecos que puedan actuar como fuentes de ruido de modo común. La colocación de componentes debe entonces dividirse en secciones distintas distribuyendo los componentes basándose en su tipo de circuito y función.

Para una placa de señal mixta, la segregación típica consiste en dividir la placa en una sección digital, una sección de potencia, una sección analógica, una sección de entrada/salida y, cuando sea necesario, una sección de filtrado. La sección digital, por ejemplo, debe colocarse lejos de otros componentes. Aunque la corriente de retorno seguirá de cerca las pistas de señal, la alta energía en el contenido armónico de las señales radiará más efectivamente y podría acoplarse con otras secciones de la placa.

Un ejemplo de esto es cuando la señal de reloj se acopla a otras redes en otras partes de la placa, como las secciones de potencia y analógica, que pueden tener cables conectados a ellas que actúan como antenas, promoviendo emisiones.

Estructuras de Antena con Cables

La sección de entrada/salida es crucial, no solo para limitar la inyección de ruido en los cables sino también para permitir una mayor aislación a través de técnicas de filtrado y blindaje para reducir la interferencia externa o limitar las emisiones de ruido de la placa. El diseño debe considerar los cables y los dispositivos o estructuras circundantes. La sección digital debe colocarse lejos de esta área de entrada/salida, idealmente en el interior de la placa, lejos de los bordes, para evitar acoplar contenido armónico de alta energía a los cables o radiar desde los bordes.

Figura 3 - Ejemplo de una división incorrecta de plano en Altium Designer

Además, se recomienda colocar todos los cables de entrada y salida en un lado de la placa en lugar de en varios bordes, previniendo diferencias de voltaje entre los cables y evitando estructuras similares a antenas que pueden promover la radiación de señales digitales o ruido.

Conclusión

Al seguir estas recomendaciones, puedes reducir efectivamente las emisiones radiadas y limitar el acoplamiento de interferencias externas en tu diseño.

En el próximo artículo, exploraremos cómo seleccionar el apilado de PCB óptimo para mejorar el rendimiento frente a EMI y reducir el riesgo. Asegúrate de seguir nuestras páginas y redes sociales para más insights.

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