Dominando el control de EMI en el diseño de PCB: Cómo diseñar PCBs para baja EMI

Bienvenido al cuarto artículo de nuestra serie sobre Dominar el Control de la Interferencia Electromagnética (EMI) en el Diseño de PCB. En esta entrega, exploraremos aspectos avanzados de la gestión de la Interferencia Electromagnética (EMI) que son cruciales para un diseño efectivo de PCB.

Al diseñar placas de circuito impreso (PCBs), un desafío clave es asegurar que su diseño pueda pasar tanto las pruebas de emisiones radiadas como conducidas. Esto es vital para cumplir con los estándares regulatorios y asegurar que su PCB funcione correctamente en su entorno previsto, sin causar interferencias a otros dispositivos y sistemas.

Igualmente importante es lograr inmunidad contra emisiones tanto externas como internas, lo que ayuda a asegurar la fiabilidad y el rendimiento de su producto final.

Figura 1 - Ejemplo de Diseño de PCB en Altium Designer®

Al diseñar para Interferencia Electromagnética (EMI), es importante entender que las emisiones son causadas principalmente por cambios de corriente en nuestros circuitos, más que por voltaje. Esto significa que todos los circuitos inevitablemente emitirán algún nivel de radiación electromagnética debido a los cambios inherentes de corriente dentro de ellos. El desafío clave para los diseñadores es gestionar y controlar la magnitud de esta radiación.

Para lograr una mejor Compatibilidad Electromagnética (EMC), necesitamos enfocarnos en diseñar placas de circuito impreso que contengan y minimicen efectivamente estas emisiones electromagnéticas.

Esto implica abordar dos tipos principales de emisiones:

• Emisiones de Corrientes en Modo Diferencial;
• Emisiones de Corrientes en Modo Común.

Figura 2 - Corrientes en Modo Diferencial vs Modo Común en un circuito (camino de retorno de la corriente en modo común no mostrado). Ref: Dario Fresu

La forma más sencilla de entender estas corrientes es pensar que las corrientes en modo diferencial fluyen en "direcciones opuestas" a través de diferentes caminos, mientras que las corrientes en modo común fluyen en la misma dirección "común" a lo largo de los caminos del circuito.

Cómo Minimizar las Emisiones de Corrientes en Modo Diferencial

Las corrientes en modo diferencial son esenciales para el funcionamiento normal de un circuito. Estas corrientes fluyen entre circuitos integrados (CI) y componentes, y son parte del diseño del circuito en el PCB.

Se mueven en bucles definidos por el diseño del circuito, y el tamaño de estos bucles afecta el nivel de emisiones producidas. Cuanto mayor es el bucle (es decir, mayor es el área), mayores son las emisiones. Además, las frecuencias más altas resultan en emisiones aumentadas.

Para reducir estas emisiones, tenemos algunas estrategias:

1. Reducir la cantidad de corriente que circula por las pistas
2. Disminuir la frecuencia de las corrientes
3. Minimizar el área de los bucles de corriente

Reducir la corriente y la frecuencia (opciones 1 y 2) a menudo es impráctico porque pueden impactar significativamente en la eficiencia del circuito. El enfoque más práctico, que los diseñadores de PCB pueden controlar de manera más directa, es minimizar el área encerrada por estos bucles de corriente.

Figura 3 - Ejemplo de un bucle de corriente en un PCB con Altium Designer®

Un método altamente efectivo es usar un plano de referencia de retorno cerca de las pistas de señal en el apilamiento de capas. Al hacerlo, el área encerrada por la corriente de ida y vuelta se vuelve muy pequeña, minimizando las emisiones. Esto, junto con mantener las pistas de señal lo más cortas posible, dará el mejor resultado en términos de reducción de emisiones de corrientes en modo diferencial.

Por supuesto, la colocación de componentes, la reducción del acoplamiento de señales y la gestión de otros mecanismos de acoplamiento que pueden transferir ruido a cables cercanos también son importantes para reducir las emisiones. Sin embargo, estos factores son secundarios a la técnica principal de minimizar el área de los bucles de corriente.

Esta técnica tiene un impacto más directo y significativo en la reducción de emisiones porque aborda la causa raíz de las emisiones de corrientes en modo diferencial.

Cómo minimizar las emisiones de corrientes de modo común

Otro tipo importante de corriente, del que los diseñadores deben estar conscientes, son las corrientes de modo común. A diferencia de las corrientes de modo diferencial, que están intencionalmente diseñadas en el circuito, las corrientes de modo común no se tienen en cuenta explícitamente en los esquemáticos. Estas corrientes no son necesarias para el funcionamiento del circuito y surgen principalmente de parásitos dentro del diseño.

Identificar y controlar estas corrientes parásitas puede ser bastante desafiante porque sus fuentes no siempre son obvias. Las corrientes de modo común se generan típicamente cuando las corrientes de modo diferencial fluyen a través de elementos parásitos en el circuito.

Figura 4 - Las brechas en los planos de retorno son a menudo una causa de radiación de modo común (Altium Designer®)

Estos parásitos se encuentran especialmente en los conductores de referencia de retorno, comúnmente conocidos como conductores de “Tierra” o “Tierra de Señal”. El problema con los parásitos en los conductores de referencia de retorno surge principalmente porque, en realidad, los componentes y conductores no son perfectos y están lejos de ser ideales.

Por ejemplo, las pistas de cobre en un circuito no solo tienen resistencia, sino que también exhiben inductancia y capacitancia. Estas propiedades parásitas se vuelven cada vez más significativas a medida que aumentan las frecuencias de las señales.

A diferencia de las emisiones en modo diferencial, que están principalmente afectadas por el tamaño del lazo de corriente, las corrientes en modo común están influenciadas principalmente por las longitudes de los conductores y la frecuencia del ruido. Sin embargo, el impacto de la longitud del conductor se vuelve menos significativo más allá de cierto punto, el cual no exploraremos más aquí en este artículo.

Para cables eléctricamente cortos, las emisiones de corriente en modo común pueden modelarse como transmisión de antena dipolo (o monopolo), en lugar de transmisión de antena de lazo. Este cambio en el modelado afecta cómo se producen y controlan las emisiones.

Para reducir efectivamente las emisiones de las corrientes en modo común en la fuente, deberíamos considerar las siguientes estrategias:

• Reducir la cantidad de corriente en modo común;
• Disminuir la frecuencia de la corriente en modo común;
• Minimizar la longitud de los conductores que contribuyen a las emisiones en modo común.

Una estrategia clave es enfocarse en reducir la longitud de las pistas de señal. Aunque no siempre sea posible acortar todos los conductores debido a las restricciones del sistema, los diseñadores deben esforzarse por minimizar las longitudes de las pistas siempre que sea factible. Este esfuerzo ayuda a mitigar las emisiones del PCB, especialmente a medida que las frecuencias de señal continúan aumentando.

Usar un plano sólido de cobre como plano de retorno y de referencia es otra técnica efectiva. Este método reduce la inductancia por la que debe pasar la corriente de retorno, disminuyendo así la fuente de voltaje de modo común que impulsa estas emisiones.

Al proporcionar un camino de baja impedancia para las corrientes de retorno, un plano de cobre sólido (sin divisiones ni cortes) ayuda a mantener la integridad de la señal y a reducir la EMI.

Cómo Minimizar las Emisiones Usando Vías de Cosido

Otra técnica recomendada para reducir las emisiones de modo común en apilamientos multicapa con múltiples planos de referencia de retorno es el uso de vías de cosido entre estos planos. Las vías de cosido, conectan los diferentes planos de referencia de retorno, asegurando que permanezcan al mismo potencial eléctrico. Esta conexión ayuda a reducir las fuentes de voltaje de modo común que impulsan las emisiones en modo antena dipolo (o monopolo), lo que puede disminuir significativamente el ruido no deseado y la EMI.

Figura 5 - Ejemplo de vías de cosido en Altium Designer®

Además de reducir las emisiones de modo común, las vías de cosido son vitales para proporcionar un camino de retorno de corriente confiable, y un potencial de referencia para señales que transitan entre capas en el apilado. Esto previene las emisiones entre los planos, que de otro modo podrían interferir no solo con la EMI, sino también con la integridad de la señal y el rendimiento general del PCB.

Conclusiones

Al diseñar placas de circuito impreso (PCBs) teniendo en mente un control efectivo de la Interferencia Electromagnética (EMI), contar con las herramientas adecuadas es esencial. El software avanzado de diseño de PCB te permite gestionar diversos parámetros de diseño y asegura que tus placas estén elaboradas con una precisión y eficiencia excepcionales. Estas herramientas son cruciales para manejar requisitos de diseño complejos y confirmar que tus estrategias de mitigación de EMI se apliquen correctamente, lo que lleva a PCBs más confiables y de alto rendimiento.

Altium Designer® se destaca como una herramienta ejemplar en este dominio, ofreciendo una integración perfecta en tu flujo de trabajo de diseño. Proporciona la flexibilidad y capacidades avanzadas necesarias para aprovechar al máximo tu experiencia y pasión por el diseño de PCB, facilitando la implementación de estrategias efectivas de control de EMI.

Para seguir refinando tus diseños de PCB, estar informado es clave. En nuestro próximo artículo, cubriremos estrategias de desacoplamiento para Redes de Distribución de Energía (PDN), proporcionándote aún más perspectivas para mejorar tus prácticas de diseño.

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