Identificación de interferencias electromagnéticas (EMI) de campo cercano en la red de distribución de energía de una PCB

Cualquier producto electrónico destinado a obtener una certificación FCC o CE debe superar pruebas de emisiones irradiadas y EMC. Si tu producto no supera las pruebas, puede resultar difícil identificar fuentes de interferencia electromagnética (EMI) irradiada excesiva. Los diseñadores de PCB suelen recurrir a mediciones de sonda de campo cercano con un osciloscopio para identificar componentes o áreas de la placa problemáticos, así como el contenido de frecuencia de la EMI irradiada. Los diseñadores deben entonces confiar en su experiencia para relacionar la radiación a frecuencias específicas con diversas fuentes de interferencia electromagnética (EMI).

Todo esto requiere tiempo, esfuerzo y experiencia especializada para identificar las fuentes de EMI y proponer soluciones. La alternativa pasa por utilizar una calculadora de campos para simular las interferencias electromagnéticas (EMI) de campo cercano en una PCB directamente, así como evaluar posibles soluciones a los problemas de EMI. Al calcular el campo electromagnético emitido desde diferentes regiones de una PCB, se puede utilizar una calculadora de campos para identificar un problema de EMI en un área específica de la placa antes de una ejecución creación de prototipos. Siempre que se pueda identificar y corregir un problema de EMI antes de la fabricación, se habrán reducido los costes de desarrollo y el tiempo de comercialización.

Con el paquete Ansys SIwave®, podrás acceder a múltiples calculadoras de campo integradas, para evaluar la integridad de la señal, la integridad de la potencia y hacer análisis de EMI. Altium Designer® también proporciona una perfecta integración con SIwave a través de la extensión Ansys EDB Exporter, permitiendo a los diseñadores realizar estos análisis de forma sencilla directamente desde sus datos de diseño. Para ver cómo funciona esto con un diseño de PCB de Altium, veremos un ejemplo de un proyecto de Altium Designer y cómo se puede identificar una EMI excesiva de campo cercano a partir de una serie de resultados de simulación.

Análisis de EMI de campo cercano para una PDN

El proyecto de ejemplo de la Mini PC en Altium Designer se utilizará aquí para el análisis EMI de campo cercano con Ansys SIwave. Esta placa en particular contiene múltiples interfaces de alta velocidad, y cualquiera de ellas podría presentar problemas de integridad de potencia o señal. Una vez importada la geometría y el diseño de la placa a SIwave, se puede utilizar una solución de onda completa en el dominio de la frecuencia para identificar fuentes de EMI de campo cercano en la placa de la Mini PC.

La Mini PC contiene múltiples componentes e interfaces de alta velocidad que deben analizarse para detectar problemas de integridad de señal y potencia.

• Intel Arria 10 FPGA 
• 2 chips DRAM DDR4 de 8 GB incorporados que operan a 1866 MHz
• 2 ranuras de expansión SODIMM para módulos RAM DDR3/4
• USB 3.0, 10/100/1000Base Ethernet, PCIe

Cualquiera de estos componentes de alta velocidad y las interconexiones entre ellos pueden actuar como una fuente de EMI de campo cercano si no se disponen correctamente. Para identificar cualquier fuente de EMI en la placa durante el funcionamiento, la herramienta EMI Scanner de SIwave puede utilizarse para comprobar automáticamente la disposición de una PCB con respecto a las reglas de diseño de EMI antes de ejecutar simulaciones de onda completa. Esto permite identificar las áreas problemáticas para que se puedan inspeccionar más a fondo durante una simulación de onda completa.

Identificación de las áreas problemáticas

El diseño de la Mini PC contiene 16 capas con múltiples disposiciones de capas plano-señal-plano para el enrutamiento de stripline. En un sondeo inicial del diseño de al Mini PC en Altium Designer, vemos dos redes de bus DDR4 stripline (capa 7) referenciadas al plano de potencia PLL_1V8 (capa 6, proporciona una regulación de 2,5 V a 1,8 V para el FPGA) y al plano de potencia VDD_DDR sin (capa 8, proporciona potencia a los módulos DDR4). Otros carriles de bytes se encuentran en la capa 5, que también utilizan las capas 4 y 6 como referencia GND. Dado que las rutas de retorno se establecen en los planos de potencia como corrientes de desplazamiento, es necesario que haya una ruta de retorno de baja impedancia de vuelta al potencial de referencia en el plano de tierra.

En el diseño del Mini PC, el único plano de la sección DDR4 que no tiene una ruta de retorno a tierra de impedancia suficientemente baja es la capa 6, concretamente la red PLL_1V8. Esta ruta de retorno de baja impedancia hacia los planos de tierra más cercanos (capas 4 y 9), podría proporcionarse mediante condensadores de desacoplamiento. Es razonable esperar que surja un problema de EMI de campo cercano en alguna parte de esta región, ya que hay una baja capacitancia entre planos entre PLL_1V8 y las redes GND más cercanas en las capas 4 y 9.

La red PLL_1V8 en la Mini PC se muestra en la figura 1. En esta imagen, vemos una región en el diseño de la PCB en la que se identificaron rutas de retorno discontinuas para las redes DDR4 con la herramienta EMI Scanner en SIwave. La región resaltada en la figura 1 es la red PLL_1V8.

Ahora que el EMI Scanner ha marcado esta red para realizar una inspección más profunda, se pueden utilizar técnicas más sofisticadas para verificar si esta infracción de las reglas de diseño de EMI ocasiona un problema significativo en el diseño. Para comprobar esto, podemos usar SIwave para:

1. Identificar las antirresonancias de impedancia en la porción PLL_1V8 de la red de suministro de energia (PDN), ya que estos podrían estar alterados por las corrientes de desplazamiento.
2. Simular la interferencia electromagnética (EMI) irradiada de campo cercano antes y después de que se corrija el problema de la ruta de retorno.

Veamos esto en mayor profundidad usando las herramientas de simulación de SIwave.

Emparejamiento de las posibles frecuencias de EMI con las antirresonancias de la PDN

La calculadora híbrida de SIwave se puede utilizar para extraer los parámetros Z de banda ancha para la red PLL_1V8, lo que permite luego identificar cualquier antirresonancia en el espectro de parámetros Z. En este caso, las resonancias de la PDN pueden alterarse si su frecuencia cae en el ancho de banda de la corriente de desplazamiento, lo que produciría una fuerte oscilación en la PDN. Como consecuencia, esto irradiaría un fuerte campo eléctrico en el régimen de campo cercano a la frecuencia antirresonante PDN.

La figura 2 muestra la autoimpedancia extraída para la red PLL_1V8 de 100 kHz a 4 GHz. Ten en cuenta que también se podrían utilizar otras calculadoras electromagnéticas Ansys para extraer más parámetros Z para una PDN compleja de múltiples salidas, como, por ejemplo, la impedancia de transferencia entre PLL_1V8 o cualquier otro plano de potencia.

La porción PLL_1V8 de la PDN tiene una fuerte antirresonancia a 580 MHz, por lo que el siguiente paso lógico es investigar la emisión radiada de campo cercano a esa frecuencia. En lugar de tratar de modelar rutas de retorno discontinuas en el dominio del tiempo, las emisiones radiadas de campo cercano en toda la PCB se pueden simular directamente en el dominio de frecuencia con la opción AC Solver de SIwave.

Resultados de la simulación de interferencia electromagnética (EMI) de campo cercano

En la figura 3 se muestran algunos resultados iniciales de la simulación de campo cercano debido a las corrientes de retorno inducidas en la red PLL_1V8. En esta figura, vemos claramente una fuerte emisión cerca de Q4 que suministra potencia a la red del plano de potencia PLL_1V8 (parte superior derecha de la región mostrada en la figura 3). El campo eléctrico radiado (magnitud) de esta región es de órdenes de magnitud mayores que el campo eléctrico de fondo en el resto de la placa. También vemos que esta EMI fuerte se irradia a 580 MHz, lo que corresponde exactamente a la antirresonancia de PDN.

Esto plantea dos posibles soluciones para reducir la EMI radiada de la red PLL_1V8:

1. Aumentar el tamaño lateral del par de planos de alimentación/tierra para proporcionar una mayor capacidad de plano intermedio.
2. Cambiar el apilado de capas para que las redes DDR no hagan referencia al plano de alimentación.
3. Agregar condensadores de desacoplamiento con alta frecuencia autorresonante a la capa de superficie para amortiguar la antirresonancia en la PDN.

La tercera ruta es la más fácil, ya que seguir las dos primeras rutas en un diseño terminado podría requerir rediseños extensos. Después de añadir condensadores de desacoplamiento, la simulación se puede ejecutar de nuevo y los resultados se pueden comparar. La figura 4 muestra una simulación de la placa del Mini PC después de añadir condensadores de desacoplamiento en la red PLL_IV8 en Altium Designer.

Este resultado muestra que el campo eléctrico radiado a 580 MHz en el régimen de campo cercano se reduce en aproximadamente un 70 % simplemente agregando condensadores de desacoplamiento a la PDN. La solución de este problema de la PDN no se limita a resolver un aspecto de la EMI de campo cercano, sino que también reduce el ruido/fluctuación de fase acoplado a otros componentes conectados a la red PLL_1V8.

Resumen

El proyecto de ejemplo del Mini PC en Altium Designer se examinó en Ansys SIWave para identificar posibles problemas de interferencias electromagnéticas (EMI) de campo cercano y se encontró y resolvió un problema grave con la emisión radiada de dicho campo. Al identificar las resonancias de la PDN en SIWave y añadir algunos condensadores de desacoplamiento a la PDN en Altium Designer, se redujo la impedancia de la PDN en la frecuencia antirresonante más fuerte, reduciendo así el campo eléctrico radiado en el régimen de campo cercano en aproximadamente un 70%.

La integración proporcionada por Ansys SIwave y Altium Designer hace que este tipo de flujo de trabajo de simulación posterior al diseño sea rápido y fácil gracias a la extensión EDB Exporter de Altium Designer. Los diseñadores de PCB pueden utilizar esta integración para crear PCB avanzadas y ejecutar rápidamente simulaciones multifísicas posteriores al diseño para sus diseños.

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Las simulaciones EMI de campo cercano en 3D con PCB reales pueden ser complicadas de preparar e implantar sin las herramientas de diseño y análisis adecuadas. Altium Designer® puede interactuar con Ansys SIwave® utilizando la extensión Ansys EDB Exporter, lo que te brinda una manera sencilla, pero potente, de realizar análisis de integridad de energía, integridad de la señal y de EMI en el dominio de tiempo o el dominio de frecuencia con una variedad de calculadoras de campo 3D.