Cumplimiento de EMI y EMC 101 para diseñadores de PCB

EMI y EMC son dos áreas en las que los diseñadores de PCB tienen un papel importante que desempeñar. El trabajo del diseñador de PCB es asegurar que un diseño esté dispuesto de tal manera que la generación de ruido esté por debajo de los límites regulatorios. Muchos sistemas que inicialmente están diseñados para ser perfectamente funcionales no pasarán los estándares regulatorios debido a prácticas particulares en el diseño del PCB. Entonces, se convierte en el trabajo del diseñador de PCB modificar un diseño de PCB para asegurar que pase los estándares regulatorios.

Para ayudar a prevenir rondas repetidas de pruebas de cumplimiento de EMC, rediseños y creación de prototipos, hay algunos pasos simples que los diseñadores pueden tomar para ayudar a reducir la ocurrencia de EMI excesivo en el diseño del PCB. Algunos de estos factores ocurren a nivel de circuito, y deben ser abordados en la ingeniería de front-end y la captura esquemática. Sin embargo, incluso un diseño de circuito perfecto puede fallar en las pruebas de EMC si el diseño del PCB no está ingenierizado correctamente. Esta guía se centrará en los factores en un diseño de PCB que pueden llevar a fallos de cumplimiento de EMC.

¿Qué es el Cumplimiento de EMC?

Cada diseño que tiene la intención de lanzarse al mercado en grandes volúmenes necesitará tener bajas emisiones de ruido durante su operación. Las emisiones pueden ser conducidas lejos del dispositivo (a través de cables) o radiadas lejos del dispositivo. Hay límites para ambos tipos de emisiones que son especificados por autoridades reguladoras, así como por grupos de estándares de la industria. La conformidad con EMC también se centra en la ESD y la capacidad de los dispositivos electrónicos para resistir transitorios.

La tabla a continuación esboza de manera general lo que se prueba bajo las regulaciones de EMC a nivel mundial y los estándares de EMC de la industria. Esta lista no tiene la intención de referenciar regulaciones específicas, solo las áreas generales y tipos de pruebas que se realizan para un nuevo producto.

No todo el equipo necesitará todas estas pruebas. Por ejemplo, un dispositivo que solo funciona con batería no necesitaría pasar la prueba de caídas de voltaje e interrupciones, por lo que no hay necesidad de diseñar la placa a esos requisitos operativos.

Superar estas pruebas es un asunto regulatorio, y hay empresas que se especializan en probar electrónicos para asegurar el cumplimiento con los requisitos regulatorios. Estas pruebas no son baratas; en EE. UU., una sola ronda de pruebas puede costar alrededor de $10,000. Las empresas no pueden permitirse gastar dinero repetidamente en pruebas, por lo que tienen que aprender a identificar posibles fallos antes de enviar un diseño para su prueba.

Razones más comunes de fallo en EMC en el diseño de PCB

El fallo en EMC en un diseño de PCB a menudo se reduce a un pequeño número de razones, y es el trabajo del ingeniero de pruebas rastrear la causa raíz del fallo. Algunos de estos problemas pueden resolverse fácilmente cambiando el diseño, el enrutamiento y/o el apilado de PCB.

• Insuficiente plano de tierra coplanar y/o ausencia de plano de tierra
• Uso de múltiples tierras para aislamiento entre señales cuando no es necesario
• Recepción o emisión de radiación desde cables y conectores
• Radiación por enrutamiento sin una referencia de tierra consistente
• Radiación de circuitos de conmutación rápida donde se ha eliminado la tierra
• Ruido de conmutación de una PDN digital que soporta procesadores rápidos
• Radiación de una PDN digital que requiere un alto ancho de banda donde se utilizan ferritas
• En algunos casos, falta de blindaje a nivel de placa para ciertos circuitos
• Emisión o recepción de radiación de grandes secciones de metal flotante
• Camino de retorno de corriente incompleto, lo que lleva a radiación a menudo a altas frecuencias
• Fallo al dirigir corrientes ESD lejos de componentes no protegidos
• Camino de retorno de alta impedancia entre el blindaje, el chasis y/o la tierra
• Ruido en caminos de retorno que llegan a entradas de corriente alterna, requiriendo un circuito de Corrección del Factor de Potencia (PFC)

Lo anterior no es una lista exhaustiva, pero cubre muchas de las instancias comunes en circuitos de potencia y digitales de alta velocidad, así como algunos casos que involucran cableado y carcasas. Muchos fallos de EMC resultantes de EMI excesivo se deben a algunas variantes de las situaciones enumeradas arriba.

Si tu rol es el de un ingeniero de pruebas, especialmente alguien que trabaja en pre-conformidad, tu trabajo es buscar y eliminar todas las posibles causas de EMI excesivo, lo cual podría llevar a un fallo en las pruebas de EMC. Es muy importante abordar estos posibles mecanismos de fallo más temprano que tarde; de ahí, la necesidad de algún nivel de pruebas de pre-conformidad. Un fallo en las pruebas de EMC casi siempre exigirá algún nivel de rediseño del sistema, lo que se traduce en pérdida de tiempo y dinero para tu empresa.

Dentro de la lista anterior, he encontrado que los problemas con una tierra insuficiente o el uso de múltiples tierras desconectadas son las razones más comunes para el fallo en las pruebas de EMC. Por ejemplo, mira lo que sucede en una PCB de dos capas densa. Cuando las PCBs de dos capas tienen una colocación y enrutamiento de componentes denso, muchas señales carecerán de tierra suficiente y crearán mucha radiación. Esta es una de las principales motivaciones para cambiar a una PCB de cuatro capas.

Las PCBs de Arduino son grandes ejemplos de diseños que están acercándose al límite de densidad de componentes. 

Debido al potencialmente alto nivel de radiación en este diseño de PCB, utilizar un apilado de PCB de cuatro capas sería una manera sencilla de ayudar a asegurar que el diseño pase las pruebas de EMC sin ningún otro cambio importante en el diseño. A menudo sucede que los problemas de EMI comienzan en el apilado y se convierten en problemas a nivel de sistema, por lo que cambios simples como añadir capas de plano podrían ser una manera rápida de hacer que su diseño supere las pruebas de EMC.

Diseñando para Asegurar la Conformidad con EMC

Diseñar un PCB para asegurar la conformidad con EMC requiere un cambio de pensamiento. Específicamente, necesitas ver la coincidencia entre el "ruido" en el diseño del PCB, un "radiador" como se define en las normas de EMC, y cualquier área donde el ruido podría acoplarse fuera del sistema a través de un cable. Un reconocimiento temprano de esto te ayudará a identificar posibles errores de EMI/EMC antes de enviar un diseño a pruebas.

Diseño y Enrutamiento

El diseño y el enrutamiento pueden influir en las características de ruido de un circuito, incluso si este fue diseñado de manera óptima para reducir el ruido. Esto ocurre a través del acoplamiento parasitario entre fuentes de ruido y circuitos, o entre circuitos y el espacio libre. Este problema con los parásitos involucra múltiples aspectos que son difíciles de resumir en un solo artículo. A un nivel alto, hay dos enfoques para el diseño y el enrutamiento que abordan los parásitos:

• Capacitancia - Un acoplamiento más estrecho a tierra es la manera más simple de suprimir el acoplamiento capacitivo entre circuitos.
• Inductancia - Un diseño compacto con caminos más cortos entre componentes reducirá las inductancias de bucle que permiten la radiación

Por ejemplo, en reguladores de potencia, esto reduce significativamente el acoplamiento de ruido a la salida del circuito y hacia el espacio libre. Un ejemplo que ilustra el concepto de enrutamiento estrecho con tierra en L2 (incluyendo debajo del inductor) se muestra a continuación.

Si se encuentran entradas/salidas de cables que transportan emisiones conducidas excesivas, incluso en el caso de que el enrutamiento y la disposición sean óptimos, intente investigar antes de agregar un filtro de modo común o un circuito de filtro. El problema podría ser acoplamiento a través de una tierra flotante o el recinto. Sin embargo, en algunos casos, los filtros de modo común son componentes simples que ayudarán a asegurar el cumplimiento de las emisiones conducidas, y esta es una solución fácil si el problema de ruido no afecta la funcionalidad.

Los Problemas Comunes de EMC Comienzan en el Apilamiento

Algunos de los problemas más comunes de emisiones radiadas surgen debido a malos apilamientos. Esto podría deberse a que el apilamiento no logra suprimir el ruido en los componentes, o causa malas prácticas de enrutamiento que también conducen a emisiones radiadas excesivas. Los fallos de emisiones conducidas también pueden resultar de malos apilamientos, lo cual está principalmente relacionado con el aterrizaje a nivel de sistema creando ruido de modo común excesivo.

Una estrategia de diseño de apilamiento de ejemplo que ayuda a asegurar bajo ruido, mantiene la impedancia para señales de alta velocidad/RF, y reduce el acoplamiento inductivo/capacitivo se muestra a continuación. Dentro de un apilamiento, uno de los métodos más simples para resolver ciertos problemas de EMI es aprovechar la tierra. Usar tierra entre capas de señal proporciona blindaje entre grupos de señales mientras también reduce las emisiones radiadas no intencionadas de las líneas de señal. También facilita la tarea de mantener caminos de retorno en las transiciones de señal.

• Aprenda más sobre los diseños de apilamiento para bajo ruido

Esta estrategia de mantener la tierra del sistema resuelve muchos de los problemas simples de EMI asociados con la propagación de señales. Aunque la palabra “simple” podría implicar “poco probable de causar fallos de cumplimiento EMC”, este no es el caso; fallos costosos en las pruebas pueden remontarse a algo tan simple como la disposición de capas en el apilado de la PCB.

Un Enfoque Modular para Inalámbricos

Es posible salir al mercado con un producto totalmente modular, pero solo si los módulos que utiliza para construir el producto han pasado individualmente las pruebas EMC. La FCC ofrece la Certificación Modular, que permite el uso de módulos inalámbricos pre-certificados en un producto. Esto eliminará la parte de las pruebas RF del proceso de certificación de su dispositivo, ya que los módulos ya habrán sido certificados para operar solo en sus bandas de radio previstas.

Esta certificación no elimina el requisito de realizar otras pruebas de emisiones para su producto. Sin embargo, reduce el riesgo de fallos y ayuda a acelerar el tiempo de salida al mercado. Hay otras razones para evitar estos módulos, como alcanzar objetivos específicos de factor de forma y la posibilidad de ser incapaz de clonar o personalizar el diseño.

¿Se Debería Usar Blindaje?

En mi opinión, si se hacen las cosas correctamente en el diseño del PCB, entonces no debería ser necesario añadir blindaje a nivel de placa o de carcasa simplemente para pasar las pruebas de EMC. La razón simple es que esto aumenta los costos de componentes y ensamblaje. Para un prototipo, este costo probablemente sea insignificante, pero en grandes volúmenes, estos costos se acumulan rápidamente. Por lo tanto, simplemente desde un punto de vista de simplicidad del dispositivo y de costos, el blindaje debería evitarse si es posible en favor de perfeccionar el diseño y la disposición.

Por supuesto, hay excepciones, y en algunas instancias donde un dispositivo necesita ser desplegado rápidamente, añadir blindaje a un diseño existente puede ser el camino de menor costo y menor riesgo hacia adelante. A veces, el diseño perfecto simplemente tiene componentes ruidosos (por ejemplo, motores), y aun con diseños de circuito y placa perfectos hay demasiado ruido proveniente del dispositivo. Algunas de las formas más rápidas de llevar un prototipo a cruzar la línea de meta de las pruebas de EMC incluyen:

• Blindaje a nivel de componente, por ejemplo, latas de blindaje SMD o de orificio pasante
• Blindaje a nivel de placa, por ejemplo, chapado en los bordes
• Placas de ferrita montadas en el recinto, placas de ferrita
• Elastómeros, compuestos y juntas absorbentes
• Juntas metálicas para grandes recintos y armarios
• Recintos metalizados
• Cintas metálicas que sellan superficies de acoplamiento
• Uso de revestimientos conformes absorbentes

El blindaje puede ser una opción tentadora para solucionar problemas problemáticos de EMI, pero si sigues las pautas de diseño mencionadas anteriormente, entonces podrías encontrar que no se necesitan componentes y materiales de blindaje adicionales.

• Aprende más sobre técnicas de blindaje EMI para PCBs

Regulaciones EMC

Ninguna guía sobre cumplimiento de EMI y EMC estaría completa sin una breve discusión sobre las regulaciones EMC. Estados Unidos, Reino Unido y Europa tienen sus propios conjuntos de regulaciones que gobiernan la generación de EMI y los requisitos de EMC en equipos electrónicos. Estas regulaciones son similares entre sí en términos de sus limitaciones de ruido, y ciertos productos que se venderán en estos diversos mercados deben cumplir con las regulaciones EMC prevalecientes. La lista de requisitos de cumplimiento EMC puede ser bastante larga, así que dejaré ese contenido para otro artículo.

• Aprenda más sobre los estándares de la industria en requisitos de EMI y EMC

Considero que los diseñadores deben estar al tanto de los estándares regulatorios y las prácticas de diseño que impulsan el cumplimiento de EMC por varias razones. Primero, si diriges una oficina de servicios, esto te hace mucho más valioso para tus clientes. Tendrás las habilidades necesarias para ayudarles a navegar los obstáculos regulatorios que están presentes en un plan de lanzamiento al mercado. La otra razón es que te permite interactuar más profundamente con los ingenieros de pruebas EMC y hablar con ellos en un nivel común.

Ahora que has aprendido sobre los desafíos comunes en el cumplimiento de EMC, asegúrate de usar el conjunto completo de herramientas de diseño de PCB en Altium Designer para diseñar tu PCB. Altium Designer es la plataforma CAD líder de la industria que también proporciona integración con aplicaciones de vanguardia para simulaciones de SI, PI y EMI/EMC. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

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