Dominando el control de EMI en el diseño de PCB: Cómo se propagan las señales en un PCB

Diseñar placas de circuito impreso (PCBs) para la compatibilidad electromagnética (EMC) requiere una sólida comprensión de la propagación de señales desde la perspectiva de los campos y corrientes electromagnéticas. Estos conceptos son importantes porque nos ayudan a diseñar PCBs con bajos niveles de emisiones de campos electromagnéticos y baja susceptibilidad a emisiones o interferencias externas.

En este primer artículo de la serie Dominando el control de EMI en el diseño de PCBs, profundizaremos en estos conceptos y veremos cómo aplicarlos al diseño de placas de circuito impreso.

Concepto de propagación de señal en una línea de transmisión

Al pensar en cómo se propaga una señal en una PCB, es importante cambiar de la analogía del agua fluyendo a través de tuberías a pensar en términos de campos electromagnéticos y líneas de transmisión. Una línea de transmisión es una estructura diseñada para transferir energía en forma de campos electromagnéticos contenidos de un punto a otro. En el contexto de las placas de circuito impreso, la línea de transmisión está formada por al menos dos conductores. Ambos conductores son igualmente importantes para contener los campos electromagnéticos y guiarlos de un punto a otro en el circuito. Si falta uno de los dos conductores, los campos electromagnéticos, que componen las señales, quedan sin contenerse, lo que podría resultar en fallas en las pruebas de EMC debido a la expansión de estos campos.

Un concepto muy importante que surge de esto es que la señal electromagnética no está contenida dentro del conductor, sino en el espacio entre dos conductores, en el dieléctrico y a su alrededor. Nuestro objetivo en términos de EMC es maximizar los campos electromagnéticos contenidos entre los dos conductores y reducir los campos electromagnéticos que lo rodean.

Figura 1 - Representación de la propagación de una señal digital en una PCB

En las PCBs, los dos conductores utilizados para la propagación de señales son el conductor de potencial de señal y el conductor de potencial de retorno y referencia. La forma más sencilla de imaginar esto es en una placa de dos capas donde la capa superior, conectada a la fuente de señal, se utiliza para enrutar las trazas de señal, y la capa inferior es una capa de cobre sólido conectada a la fuente de señal, pero también a la referencia de potencial de señal (ver Figura 1). Lo que llamamos señal es el campo electromagnético contenido entre estos dos conductores. Esto significa que la señal no está contenida en un solo conductor, sino que es la energía electromagnética contenida en el dieléctrico entre estos dos conductores. Esto también significa que las propiedades del material dieléctrico influyen en la propagación de la señal, particularmente en su influencia sobre la velocidad a la que la señal (o onda electromagnética) se propaga, que es la velocidad de la luz en el dieléctrico. Habrá puntos entre los dos conductores donde la señal está presente y puntos donde la señal aún no ha llegado. En una señal digital, el punto entre estas dos zonas donde tenemos la señal completa y donde aún no tenemos señal se llama borde de señal o frente de onda de señal. Este es el punto de transición de lógica de bajo nivel a lógica de alto nivel en la señal digital.

En términos de EMC, este punto es extremadamente importante porque es donde los campos eléctricos y magnéticos cambian de bajo a alto entre los conductores. Cuanto más rápido cambia este estado de energía, es decir, cuanto más rápido la señal pasa de un nivel lógico bajo a uno alto, más cambio de energía se comprime en un corto período de tiempo. A medida que la señal se propaga de su fuente a su destino en la línea de transmisión, el frente de onda de la señal o el borde de la señal lidera la propagación de la señal.

Corriente directa, corriente de retorno y corriente de desplazamiento

Otro concepto importante es que si siguiéramos el borde de la señal a medida que se propaga, veríamos que, dado que el borde líder es un cambio en el campo electromagnético, esto generaría una corriente de desplazamiento en el dieléctrico entre los dos conductores. Este fenómeno se explica mediante las cuatro ecuaciones de Maxwell recopiladas por Oliver Heaviside, particularmente la ley de Ampère-Maxwell. La forma más sencilla de imaginar esto es pensando en cómo fluye la corriente a través de un condensador cuando se aplica una fuente de CA (ver Figura 2).

Figura 2 - Condensador (a) sin campos eléctricos aplicados (b) campo eléctrico positivo aplicado (c) campo eléctrico negativo aplicado

En realidad, no hay corriente de conducción entre las placas del condensador y su dieléctrico, sino que las cargas ligadas contenidas en el dieléctrico simplemente se polarizan (desplazan) siguiendo los campos aplicados de las placas del condensador. Esto aparecerá como si una corriente de conducción estuviera fluyendo a través de la placa del condensador. El concepto de corriente de desplazamiento es importante para que entendamos cómo es posible que se forme una corriente durante la propagación de la señal, especialmente antes de que llegue a la carga. Como se enseña en las clases de teoría de circuitos clásicos, la corriente siempre fluye en bucles. Entonces, ¿cómo es posible que tengamos una corriente incluso antes de que la señal llegue a la carga y, por lo tanto, antes de que establezca una corriente de conducción continua que vaya de la fuente a la carga y luego regrese a la fuente para formar el bucle de corriente? Esto es posible gracias a la corriente de desplazamiento, que permite que la corriente siga fluyendo en bucles a medida que la señal se propaga. Sin la corriente de desplazamiento, al tener solo la corriente de conducción, no tendríamos propagación de la señal, ya que el bucle de corriente formado únicamente por la corriente de conducción no podría cerrarse antes de alcanzar la carga. Esto significaría que una corriente de conducción tendría que fluir a través del dieléctrico, lo cual, por definición, no es posible. Pero con esta corriente aparente, la corriente de desplazamiento, el bucle se cierra instantáneamente a medida que la señal se propaga.

La combinación de corriente de conducción y corriente de desplazamiento dará como resultado un bucle de corriente que se propaga siguiendo el borde de la señal. Este bucle de corriente, como se muestra en la Figura 3, puede dividirse en tres porciones:

Figura 3 - Bucle de corriente y corriente de desplazamiento

• La corriente directa, que fluye en la dirección de la señal hacia la carga en el conductor de la capa superior.
• La corriente de retorno, que fluye en la dirección opuesta de la señal de regreso hacia la fuente en el conductor del lado inferior.
• La corriente de desplazamiento, que conecta las otras dos porciones de la corriente al “fluir” a través del dieléctrico entre los conductores y seguir el borde de la señal.

Contener la Energía de la Señal para Controlar EMI

Gestionar la contención de los campos electromagnéticos entre conductores y controlar el camino de flujo de la corriente es extremadamente importante para diseñar PCBs que no solo superen, sino que también destaquen en compatibilidad electromagnética e integridad de señal (ver Figura 4).

Figura 4 - Ejemplo de un diseño avanzado de PCB con el visor 3D de Altium Designer®

Este enfoque nos permite controlar las emisiones en su fuente y evitar diseñar estructuras de PCB que permitan el acoplamiento de interferencias externas.

En el próximo artículo de la serie, discutiremos cómo mejorar la colocación de componentes para reducir eficazmente EMI. Para asegurarte de no perdértelo, mantente atento siguiendo nuestras páginas y redes sociales.

Conclusiones

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