Cómo usar un núcleo de ferrita en tu diseño para reducir la EMI

La EMI y la EMC pueden ser temas peliagudos, y a menudo resulta tentador aplicar mal las directrices de diseño para intentar reducir la EMI. EMI es una de esas cosas en las que muchos de nosotros tenemos una leve idea. Es por eso que he estado escribiendo sobre cosas como conexión a tierra adecuada, circuitos CA/CC, enrutamiento de alta velocidad, y enrutamiento de pares diferenciales. Una de estas áreas relacionadas con la EMC en el diseño de PCB es el uso de núcleos de ferrita. Estos componentes son básicamente filtros, y realizan una función útil en los cables de alimentación de muchos aparatos electrónicos. Probablemente estés leyendo este artículo en un portátil que utiliza una ferrita para filtrar la EMI conducida de la línea de alimentación.

Lo siguiente en la lista es cómo reducir la EMI usando núcleos de ferrita. Los núcleos de ferrita pueden ser un poco complicados, por eso es importante entender primero el funcionamiento de los núcleos de ferrita. La mayoría de los componentes electrónicos son esencialmente plug and play; sin embargo, las ferritas deben diseñarse en su sistema. Una vez que sabes la teoría sobre los núcleos de ferrita, es hora de pasar a usos prácticos como filtros LC, separación de plano de frecuencia de tierra y potencia y filtrado de ruido de fuente.

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Filtros LC de Ferrita

A menudo los diseñadores de PCB se sienten tentados a pensar en los núcleos de ferrita como filtros de paso bajo. Bloquean las frecuencias altas, pero solamente en una banda específica. Por encima de esa banda, su frecuencia de capacidad eléctrica inherente se hace cargo. Si bien una cuenta por sí sola no puede hacer un filtro de paso bajo, cuando se combina con un condensador de derivación, sí puede. Luego obtienes lo que es esencialmente un filtro LC (inductor y condensador). Un problema importante a tener en cuenta al determinar cómo usar núcleos de ferrita, es la resonancia LC.

Lo primero es lo primero, si estás utilizando un núcleo de ferrita en la línea de alimentación de tu circuito de PCB, necesitas un condensador de derivación. A bajas frecuencias, los núcleos de ferrita actúan como inductores, que se oponen a los cambios en la corriente. Eso significa que si tu circuito integrado está tratando de generar un pico de corriente, el núcleo de ferrita resistirá ese pico y puede dificultar la operación de tu circuito. Se necesita un condensador de derivación para almacenar la carga que pueden proporcionar esos picos de potencia. Los condensadores de derivación también son solo una buena idea en general.

Una vez que tengas tu condensador y el material de ferrita en su lugar, puedes empezar a filtrar las frecuencias altas. Un núcleo de ferrita tiene un par de ventajas sobre el inductor normal utilizado en un filtro LC. Los núcleos de ferrita te darán una caída más pronunciada a frecuencias más bajas. También tienen cierta resistencia inherente, lo que ayuda a amortiguar la posible frecuencia de resonancia. Si bien tienen algunas capacidades de amortiguación, la resonancia LC todavía puede ocurrir. Existe un riesgo especialmente grande de esto cuando se utilizan  condensadores más grandes. Si realmente deseas utilizar un condensador grande, ese riesgo puede mitigarse agregando amortiguación adicional o limitando la resonancia de otra forma. Si se produce resonancia, puede conducir a una ganancia de hasta 10 dB, así que ten cuidado de diseñar tu filtro de forma que evite la resonancia.

^{Filtra tus señales con un núcleo de ferrita y un condensador de derivación.}

Señal de Tierra Mixta/Conexión de Plano de Potencia

Una de las principales formas en que EMI puede propagarse a través de un circuito es a través de los planos de tierra y potencia. Esto es especialmente común en circuitos de señal mixta, donde se usa una sola impedancia de plano de tierra/potencia para señales analógicas y digitales. Por lo tanto, es mejor tener planos de tierra/potencia separados, pero las tierras aún deben ser referenciadas a la misma tensión relativa. Estos problemas crean dilemas que los núcleos de ferrita pueden ayudar a solucionar.

Los núcleos de ferrita se pueden utilizar para conectar planos de tierra/potencia analógicos y digitales separados. En esta configuración, ambos planos están referenciados a la misma tensión, pero están aislados el uno del otro. Un núcleo de ferrita cuidadosamente elegido puede bloquear el ruido que normalmente se transferiría directamente de un plano a otro. No todos los circuitos de PCB deben usar planos de tierra separados conectados por un núcleo de ferrita, así que verifica que esta estructura sea la mejor para ti antes de usarla.

Filtro de Ruido General

Los planos de tierra y energía no son las únicas partes de tu circuito de PCB que tienen problemas de ruido. También es posible que haya ruido proveniente de componentes digitales, un convertidor DC/DC o la línea de alimentación. Los núcleos de ferrita pueden ayudar a filtrar el ruido de todas estas fuentes.

En el caso de componentes ruidosos, puedes utilizar núcleos de ferrita para aislar tantos como quieras. Presumiblemente tendrás condensadores de derivación para cada uno de tus circuitos Integrados Digitales, por lo que agregar núcleos de ferrita formará el filtro LC mencionado anteriormente. Estos filtros atenuarán el ruido proveniente de los componentes y ayudarán a mantener tu circuito libre de EMI.

Algunos circuitos analógicos son alimentados por un convertidor de conmutación DC/DC. Es posible que te preocupe que estas fuentes de alimentación transmitan ruido al sistema, pero probablemente no te preocupe que los chips analógicos envíen ruido. En este caso, puedes colocar un núcleo de ferrita en línea con el convertidor DC/DC y aislar tu circuito analógico de EMI en el riel de alimentación.

^{Los núcleos de ferrita se utilizan a menudo para filtrar la energía entrante.}

Es posible que te preocupe el ruido proveniente del exterior de tu placa. A menudo, la EMI se introduce en los PCB a través de su fuente de alimentación inicial. Los núcleos de ferrita son excelentes para filtrar ese tipo de ruido de alta frecuencia. De hecho, ese es su uso más común.

Ya sea que tus PCB se disparen hacia el espacio o se queden aquí Tierra, estos deben protegerse del EMI. Los núcleos de ferrita pueden hacer eso, ya sea atenuando una banda específica de altas frecuencias, o actuando como un filtro LC cuando se combina con un condensador de cerámica de derivación. Si vas a utilizar una cuenta en un filtro LC, asegúrate de estar atento a la resonancia LC. También puedes usar núcleos de ferrita para separar los planos de tierra y potencia en circuitos de señal mixta, y filtrar el ruido en general.

Ahora que sabes cómo usar núcleos de ferrita para reducir la EMI en tu circuito de PCB, es hora de diseñar tu placa. Un software excelente de diseño de PCB como Altium Designer te ayudará a poner en práctica tus teorías libres de ruido. Altium Designer tiene una amplia gama de avanzadas herramientas y documentación para asegurarte de estar preparado para lo que se te presente.

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