Dominando el control de EMI en el diseño de PCB: Prevención de diafonía para un mejor EMI

Bienvenido al sexto artículo de la serie, Domina el Control de EMI en el Diseño de PCB. En este artículo, exploraremos cómo el acoplamiento puede afectar tanto la integridad de la señal como la EMI, y discutiremos qué pasos seguir para abordar esto en nuestros diseños.

Figura 1 - Ejemplo de Diseño de PCB en Altium Designer

El acoplamiento es uno de los problemas más frecuentemente encontrados en los diseños modernos de Placas de Circuito Impreso (PCB). A medida que la densidad de las PCBs continúa aumentando, este fenómeno se vuelve aún más prevalente. La tendencia hacia la integración de más interfaces de alta velocidad en áreas cada vez más pequeñas de la placa exacerba el desafío, ya que los diseños compactos conducen a una mayor proximidad entre pistas, lo que aumenta significativamente la probabilidad de acoplamiento.

En esencia, el acoplamiento de señales se refiere a la transferencia no intencionada de una señal eléctrica de una red (o pista) a otra. Esto ocurre cuando el campo electromagnético generado por una señal que viaja a lo largo de una pista interactúa con una pista adyacente. En este contexto, la pista que lleva la señal original se conoce comúnmente como el "Agresor", mientras que la pista que recibe la señal no deseada se conoce como la "Víctima".

Figura 2 - Ejemplo de cómo el acoplamiento puede manifestarse en un circuito

En el campo de la interferencia electromagnética (EMI), el diafonía se vuelve muy importante porque no solo puede ser la causa de interferencias dentro de un sistema, sino que también puede convertirse en la fuente de emisiones electromagnéticas que perturban otros dispositivos. Lo importante de ver respecto a la diafonía es que no solo ocurre entre las pistas de señal, donde se propaga la corriente de la señal, sino que también ocurre en los conductores de referencia de retorno, donde la corriente de retorno fluye de vuelta a su fuente. Aquí es donde ocurren fenómenos como “rebote de tierra”, que también es un caso de diafonía que sucede en el conductor de referencia de retorno.

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Entendiendo la Diafonía y sus Efectos

El fenómeno de la diafonía ocurre por dos razones principales: el acoplamiento capacitivo y el acoplamiento inductivo entre conductores. Cuando dos o más pistas se trazan demasiado cerca una de la otra, y cuando un voltaje de señal y corriente cambian con el tiempo, los campos marginales (campos eléctricos y magnéticos) en los bordes de las pistas de señal (llamados el Agresor) pueden acoplarse a las pistas cercanas (Víctimas), resultando en ruido no deseado en estas pistas cercanas.

El trabajo del diseñador de PCB, en términos de reducir la diafonía y efectivamente reducir la EMI, es minimizar los efectos que estos campos marginales tienen en otros conductores, de modo que el ruido no se propague de una pista a otra.

Figura 3 - Ejemplo de acoplamiento inductivo y capacitivo entre pistas de señal

En términos de EMI, esto se convierte en un problema cuando el ruido genera emisiones ya sea desde las pistas del PCB, o desde los cables conectados a estas pistas, o conductores.

Tipos de Diafonía

Cuando se trata de diafonía, también es importante distinguir entre dos tipos: Diafonía de Extremo Cercano (NEXT) y Diafonía de Extremo Lejano (FEXT).

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Diafonía de Extremo Cercano, también llamada NEXT, es el tipo de diafonía que ocurre en el mismo extremo de la línea de transmisión donde se transmite la señal. Esencialmente, es la interferencia captada por un conductor cercano en el extremo de transmisión del circuito.

Diafonía de Extremo Lejano, o FEXT, se refiere a la diafonía que ocurre en el extremo opuesto de la línea de transmisión desde donde se transmite la señal. Es la interferencia captada por un conductor cercano en el extremo de recepción del circuito. La diferencia clave es que NEXT ocurre cerca del extremo de la fuente, mientras que FEXT ocurre cerca del extremo de destino. NEXT sucede en la dirección inversa de la propagación de la señal (dirección hacia atrás), mientras que FEXT sucede en la dirección de la propagación de la señal (dirección hacia adelante).

Ejemplos prácticos y estrategias de diseño en Altium Designer^®

Sin entrar demasiado en las complejidades del crosstalk de señales, que podría llenar una serie entera, hay varias maneras de reducir sus efectos. La mayoría de estas técnicas dependen de la forma en que diseñamos el layout del PCB, lo que significa que la forma en que diseñamos geométricamente el PCB se vuelve muy importante. Las formas más efectivas de reducir el crosstalk están, de hecho, relacionadas con cómo disponemos los conductores entre sí en el PCB.

Una de las primeras estrategias que podemos usar es aumentar el espacio entre los conductores para que los campos eléctricos y magnéticos no se acoplen entre sí.

Figura 4 - Ejemplo del espaciado de trazas de señal antes y después de la mejora

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Otra técnica que podemos usar es reducir el espacio entre las trazas de señal y el plano de referencia de retorno. Esto acoplará estrechamente los campos de señal con sus planos de referencia de retorno, reduciendo la dispersión de estos campos a otros conductores.

Además, reducir la longitud de ambos conductores, el conductor de señal y el conductor de referencia de retorno, reducirá la cantidad de acoplamiento entre diferentes redes. Esto también es intuitivo, ya que cuanto menos expuesto esté el conductor, menos oportunidades tendrá el ruido de acoplarse con otros conductores.

Figura 5 - Vista 3D de planos de señal y retorno de referencia acoplados estrechamente con Altium Designer^®

Otro método común para reducir el diafonía, que se aplica efectivamente a ICs, conectores y trazas de PCB, es proporcionar múltiples conductores para la ruta de retorno de diferentes señales.

Esto significa, por ejemplo, usar múltiples caminos de retorno al usar cables de cinta u otros conectores, en lugar de usar un único conductor de retorno para múltiples redes de señal.

Estrategias de simulación con Altium Designer^®

En lugar de confiar en suposiciones educadas sobre la diafonía en nuestro diseño de circuito, es importante usar herramientas avanzadas para cálculos precisos.

La función de Integridad de Señal integrada en Altium Designer^® es una herramienta poderosa para este propósito. Esta función nos permite simular y analizar la diafonía a través de trazas de PCB, permitiendo predicciones precisas y una comprensión más profunda de los niveles de diafonía. Al usar esta herramienta, podemos refinar y optimizar nuestro diseño con mayor precisión.

Figura 6 - Ejemplo de simulación de diafonía usando Altium Designer^®

La herramienta de Integridad de Señal proporciona simulaciones detalladas que nos ayudan a evaluar diversos compromisos de diseño. Entender estos compromisos es esencial para minimizar la interferencia y lograr un rendimiento óptimo. Las percepciones obtenidas de esta herramienta son mucho más fiables que las obtenidas solo a través de conjeturas.

Figura 7 - Ejemplo de evaluación de diafonía utilizando la herramienta de Integridad de Señal en Altium Designer

El aprovechamiento de esta herramienta avanzada nos ayuda a tomar decisiones informadas, equilibrando las necesidades de rendimiento con las restricciones de diseño. Este enfoque mejora tanto la fiabilidad como la funcionalidad de nuestro circuito, mejorando la integridad de la señal y el rendimiento de EMI mientras aumenta la eficiencia general del diseño.

Conclusión

En conclusión, para reducir efectivamente la diafonía de señales y mejorar el rendimiento de EMI de nuestras placas de circuito impreso, tenemos varias estrategias a nuestra disposición. El uso de la herramienta de Integridad de Señal integrada en Altium Designer es indispensable para predecir y mitigar con precisión la diafonía en nuestros diseños de PCB. Esta herramienta nos empodera para tomar decisiones basadas en datos, asegurando que nuestros diseños cumplan con las especificaciones requeridas y funcionen de manera fiable bajo diversas condiciones.

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