EMI de cables de PCB flexibles en sistemas multitarjeta

Los cables de circuito impreso flexibles son muy útiles para ahorrar espacio y habilitar aplicaciones plegables en electrónica. Los cables de circuito impreso flexibles también permiten montar cierta circuitería, y es posible realizar fijaciones únicas a una carcasa incorporando refuerzos y orificios de montaje. Aunque los circuitos impresos flexibles pueden costar más que una opción de cableado estándar, pueden habilitar aplicaciones de mayor valor que definitivamente compensan el costo de diseño y fabricación.

Al igual que cualquier otro interconector de placa a placa, los PCBs flexibles pueden experimentar problemas de EMI. Esto incluye la emisión de EMI desde los conectores para señales en el interconector flexible, o el cable de una fuente externa. La construcción única de los cables flexibles admite soluciones interesantes que deberían considerarse para muchos diseños, incluidos sistemas militares y aeroespaciales altamente robustos. En este artículo, repasaré algunos de los factores de diseño que abordan los desafíos de EMI en cables de circuito impreso flexible.

Uso de Cables de Circuito Impreso Flexible Conduciendo a EMI

Los dispositivos que utilizan cables de circuito impreso flexible varían ampliamente en aplicación, desde dispositivos digitales ultra compactos hasta sistemas altamente robustecidos para automoción, militar y aeroespacial. Los cables de circuito impreso flexible suelen estar dentro del recinto del dispositivo y no están expuestos al ambiente exterior. En algunos productos, como un producto modular, el cable flexible está expuesto fuera del recinto y tendrá diferentes características de inmunidad EMI.

En lugar de ser terminados con dedos de oro para un conector ZIF/conector de borde, los circuitos impresos flexibles podrían terminarse con un conector estándar de placa a placa, y esa terminación del conector podría ser un punto donde el EMI, como un pulso ESD, puede entrar en su sistema. Tras darse cuenta de estos factores de riesgo para el EMI, hay algunas prácticas de diseño que se pueden utilizar para suprimir o prevenir el EMI en un circuito impreso flexible.

Aterrizaje de Malla y Densidad de Malla

Uno de los principales desafíos con las placas de circuito flexibles que soportan alta velocidad o alta potencia es que no pueden usar planos sólidos. Para los cables flexibles que distribuyen energía, esto a menudo significa múltiples capas de cobre que están tramadas, ya que esto permitirá que el cable flexible se forme y doble según sea necesario mientras aún proporciona la capacidad de conducción de corriente requerida. En el caso del enrutamiento de señales, se necesita un plano de tierra tramado para definir la impedancia de la traza y reducir las emisiones radiadas de las líneas de señal.

Si un cable flexible está experimentando demasiado diafonía o está captando demasiada EMI externa, puede ser necesario un tramado de tierra más ajustado. Reducir la apertura del tramado aumentará la cantidad de cobre por unidad de área, y esto aumentará la capacidad de blindaje de la capa del plano. Desafortunadamente, los requisitos de potencia y los requisitos de ancho de banda del canal para señales de alta velocidad podrían ser tan altos que un cable flexible ya no sería útil, y se necesitaría un cable con cableado estándar.

¿Qué factor de llenado de cobre versus apertura de trama debería utilizarse en un plano tramado? Es muy difícil hacer declaraciones generalizadas ya que esto depende de cómo se utilice la trama. La trama puede usarse como tierra para señales digitales y para proporcionar control de impedancia, en cuyo caso la apertura de tierra tramada debería ser menor que alguna fracción de la distancia de propagación de la señal durante su tiempo de subida. En el caso de potencia y tierra, la apertura de la trama no debería ser tan grande que reduzca significativamente la capacidad de conducción de corriente del cable flexible. A menudo se necesitan simulaciones para caracterizar la impedancia, la resistencia DC y el manejo térmico de los planos tramados.

Una simulación de impedancia de plano tramado muestra la periodicidad de la trama, lo que puede permitir que la EMI de alta frecuencia sea recibida por o emitida desde el cable PCB flexible.

Radiación de Conectores Acoplados

Las transiciones de señal a través de conectores acoplados pueden ser fuentes de emisiones radiadas, lo cual puede ocurrir en conectores de montaje superficial, conectores ZIF para dedos chapados y conectores de pines pasantes. Los cables flexibles utilizados para interconexiones digitales de alta velocidad ciertamente pueden tener problemas con emisiones radiadas de conectores acoplados, principalmente debido a la falta de tierra suficiente en el diseño de pines del conector. Los interconectores flexibles que transportan energía también pueden ser fuentes de emisiones por múltiples razones. Algunas de las razones comunes por las que los conectores acoplados conducen a emisiones son:

• Desajuste de impedancia visto por señales de muy alta velocidad
• Ruido de modo común en trazas, que se irradia desde el cable flexible
• Filtrado insuficiente que permite el paso de ruido de conmutación a un cable
• Falta de tierra en el diseño de pines del conector
• Uso incorrecto de un blindaje de cable en un conector blindado
• Conectar un blindaje de conector a la tierra del sistema en lugar de al anillo de tierra del chasis

Este conector acoplado para un cable flexible puede ser una fuente de emisiones radiadas, típicamente debido a la falta de tierra o reflexiones de señal.

Para ayudar a asegurar que se mantenga una referencia a tierra con buena acoplamiento para señales y energía, asigne algunos pines en el conector a tierra en ambos lados de la interfaz de acoplamiento. Esto unirá la tierra a través del interconector flexible y asegurará que las señales no crucen divisiones en los conductores de referencia. En cuanto al blindaje en conectores, estos a menudo no están expuestos al ambiente exterior, por lo que un diseño de cable flexible puede no beneficiarse del uso de conectores blindados dentro de una carcasa.

Filtrado en Líneas de Señal y Energía de Cable Flexible

Justo como ocurre en sistemas de PCBs rígidas y cables, el filtrado puede usarse en entradas y salidas para abordar la EMI radiada y conducida. Al reducir las emisiones conducidas a través de un cable flexible, la EMI radiada también puede reducirse una vez que el ruido se propaga a una interfaz de acoplamiento insuficientemente conectada a tierra. Hay opciones disponibles para el filtrado, ya sea directamente en un cable flexible o en una sección rígida con un refuerzo:

• Bobinas SMD para ruido de modo común
• Módulos de filtro de orden superior
• Filtros RC o LC construidos a partir de componentes discretos
• Ferritas en líneas de energía DC o señales DC

Me gusta especialmente la opción de módulos de filtro, especialmente para la alimentación proporcionada en la entrada o salida de un cable flexible. Estos módulos pueden ofrecer filtrado de orden superior con una caída pronunciada en el rango de kilohercios, lo que los hace muy útiles para eliminar el ruido de la alimentación de CC. A continuación, se muestra un ejemplo de un Murata de un proyecto de convertidor flyback en Altium Designer.

Módulo de filtro Murata (PN: BNX026H01L) que proporciona filtrado de paso bajo de orden superior, principalmente para interconexiones de alimentación de CC.

Líneas de Transmisión con Planos Rayados

Debido a las aberturas en los planos rayados, las estructuras no tendrán una efectividad de blindaje extremadamente alta contra la EMI. Cuando las señales son demasiado susceptibles o sus tasas de cambio son tan rápidas que el plano rayado tiene problemas para contener el campo electromagnético, crear una configuración de línea de transmisión con planos rayados puede ser una solución. Coloque un plano rayado arriba y abajo de la capa de señal para crear la estructura de línea de transmisión. La mejor manera de maximizar la efectividad del blindaje es desplazar ligeramente las estructuras rayadas de tal manera que el cobre sólido en un plano rayado se superponga con las aberturas del rayado en el otro plano.

En algún momento, las señales con tasas de cambio inferiores a un nanosegundo se vuelven tan rápidas que la estructura de malla fallará en mantener la integridad de la señal y admitirá demasiada EMI radiada. En este punto, un cable será la mejor opción. Estas interconexiones tienden a ser diferenciales, lo cual es útil para contener el ruido. Los proveedores de conectores ofrecen varias opciones que proporcionan propagación de señal diferencial de alta banda ancha con coincidencia de impedancia en las superficies de acoplamiento de los conectores. Verifique la especificación de la tasa de datos en los conectores de acoplamiento para asegurarse de que soportarán sus necesidades de integridad de señal y EMC.

Los cables de alta velocidad Samtec AcceleRate^® son necesarios una vez que las tasas de datos y los requisitos de ancho de banda del canal se vuelven demasiado grandes.

Para concluir, los cables flexibles pueden operar con el mismo rendimiento que los cables con alambres desde una perspectiva de EMI siempre y cuando las señales no sean demasiado rápidas. Esto también requiere un diseño de disposición de pines apropiado para asegurar una conectividad consistente del conductor de referencia en todas las superficies de acoplamiento y a través del cable flexible. Los filtros también pueden ser útiles para fuentes de ruido específicas, la alimentación de CC y algunas señales que también pueden llevar ruido de modo común.

Las señales de alta velocidad de extremo único con requisitos de control de impedancia pueden no ser la mejor opción para su uso en cables flexibles. Sin embargo, los pares diferenciales pueden ser útiles gracias a sus menores emisiones radiadas, incluso cuando el plano de tierra es escaso, como en el caso de un plano de tierra tramado. En este caso, los pares diferenciales pueden requerir un espaciado más cercano de lo que típicamente se usaría en un PCB rígido, ya que esto reducirá las variaciones de impedancia sobre el plano de tierra tramado.

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