Directrices de EMI/EMC para PCB: Cumpliendo con los Estándares de EMI/EMC en Tus Diseños

¿Qué pasaría si colocas dos teléfonos móviles uno al lado del otro y de repente ninguno de ellos funcionara correctamente? Afortunadamente, esto no sucede porque los diseñadores y fabricantes hicieron esfuerzos serios para asegurar que estos dispositivos cumplan con los estándares EMC sobre EMI conducida y radiada. Cualquier dispositivo debe cumplir con los estándares EMC antes de llegar al mercado.

Aunque esto suene complicado, tienes una serie de estrategias de diseño simples para ayudar a que tu próximo dispositivo pase las pruebas EMC. Familiarizarte con las diversas organizaciones de estándares EMC y sus especificaciones es un buen punto de partida.

Estándares EMC/EMI para Diseño de PCB

Los estándares EMC se dividen en dos categorías amplias: estándares regulatorios y estándares de la industria. Los estándares regulatorios para tu diseño dependen de dónde quieras comercializar y vender tu producto (no necesariamente dónde se diseña o fabrica). Algunos de los primeros estándares EMC fueron establecidos por la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. en 1979. La Comunidad Europea más tarde definió sus propios estándares EMC, que formaron la base para los futuros estándares de la Unión Europea, ahora conocidos como la Directiva EMC - oficialmente nombrada Directiva de Compatibilidad Electromagnética (EMC) 2014/30/EU del Parlamento Europeo (puedes ver el estándar europeo aquí).

La conformidad con los estándares de la industria no es solo un asunto legal, sino también un asunto específico de la industria para asegurar la uniformidad e interoperabilidad entre el equipo electrónico desplegado en ambientes específicos y áreas de aplicación. Efectivamente, los estándares EMC de la industria juegan el mismo papel que otros estándares de la industria sobre fabricación, ensamblaje, rendimiento, etc. Las principales organizaciones de estándares de la industria y organismos reguladores que definen los requisitos EMC incluyen:

• Comisión Federal de Comunicaciones de EE.UU. (FCC)
• Administración Federal de Aviación de EE.UU. (FAA)
• Laboratorios de Aseguradores (UL)
• Comisión Técnica de Radio Americana para la Aeronáutica (RTCA)
• Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), a través del Comité Internacional Especial de Perturbaciones Radioeléctricas (CISPR)
• Organización Internacional de Normalización (ISO)
• Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE)
• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
• El ejército de EE.UU. a través de su conjunto de estándares MIL-STD

Mientras que los estándares de IEC y CISPR son más populares en Europa, los estándares de IEEE son más populares en EE.UU. En particular, los estándares de IEEE forman la base para las pruebas de calibración de antenas. Los requisitos EMC de MIL-STD están entre los estándares más estrictos a nivel mundial y fueron algunos de los estándares originales que se adaptaron al sector comercial para dispositivos electrónicos.

Requisitos Amplios para Cumplir con los Estándares EMC

Las empresas que lanzan dispositivos o productos no conformes pueden recibir una advertencia o ser multadas con sumas sustanciales de dinero. No cumplir con los requisitos de EMC también representa una preocupación de seguridad y daña la reputación de una empresa. Diseñar con un enfoque en EMC puede ayudar a asegurar que no recibirás sanciones civiles una vez que tu dispositivo salga de la línea de fabricación. Los diseñadores toman medidas para cumplir con los estándares de EMC considerando la EMI desde dos perspectivas:

• Diseñar para la inmunidad a la EMI: Diseñar un dispositivo para resistir la EMI no deseada de dispositivos cercanos. Esto generalmente comienza con la estrategia adecuada de apilamiento y enrutamiento.

• Suprimir la EMI radiada: Diseñar un dispositivo para minimizar la radiación que emite. El apilado de capas, la estrategia de conexión a tierra, la colocación de componentes y posiblemente el blindaje juegan un papel importante aquí.

• Suprimir la EMI conducida: La EMI conducida toma varias formas, como ruido acoplado de modo común o diferencial, ruido de conmutación de reguladores SMPS, o armónicos recibidos de la red.

• Transitorios rápidos o fluctuaciones de potencia: Estos tipos de ruido aparecen como series de pulsos inyectados, breves caídas de voltaje, caídas periódicas, o picos de potencia. El diseño debe evitar que estos aparezcan como ruido en una salida o carga. Estos requisitos son aplicables en diseños con cables cortos o entradas de CA, respectivamente.

• Supresión de sobretensiones y ESD: Generalmente nos centramos en el ruido al discutir sobre EMI/EMC, pero resistir sobretensiones y ESD también son aspectos importantes al diseñar para cumplir con los estándares de EMC.

Medición de EMC radiada con una sonda de campo cercano

Algunas estrategias para aumentar tus posibilidades de pasar las pruebas de estándares de EMC

Hay algunas prácticas de diseño básicas que todo diseñador debería utilizar para asegurar que sus placas pasen incluso las verificaciones EMC básicas.

Apilamiento, Alimentación y Conexión a Tierra

Una estrategia de cumplimiento de EMC comienza con tu apilado de capas. Diseñar tu placa con un sistema de tierra de baja inductancia tiene el mayor efecto para minimizar la susceptibilidad al EMI. Con placas multicapa, deberías colocar un plano de tierra directamente debajo de las capas de señal para minimizar la inductancia de bucle.

La interferencia en señales de bajo nivel conduce a relaciones señal-ruido más bajas. Por lo tanto, es una buena idea enrutar estas señales en una capa interior. Si tienes suficientes capas en tu apilado, coloca estas pistas entre dos planos de tierra, y luego coloca tu plano de alimentación debajo del plano de tierra más inferior. Colocar el plano de alimentación cerca del plano de tierra proporciona un acoplamiento capacitivo fuerte. Cualquier ruido o EMI conducido en el plano de alimentación se desangrará fácilmente en el plano de tierra cercano en lugar de interferir con las señales.

Tenga cuidado al enrutar señales desde una capa interior hasta una capa superficial, ya que necesitará mantener un acoplamiento estrecho. Puede mantener el acoplamiento a un plano de referencia colocando un via paralelo cercano entre el plano de tierra y la capa superficial. Otros problemas de EMC, como el enrutamiento y la colocación del reloj, pueden ser problemáticos y crear ruido excesivo, especialmente cuando se cambian los planos de referencia en un PCB multicapa. Si es posible, trate de no usar protocolos que requieran un oscilador de referencia externo, y en su lugar use protocolos que tengan un reloj integrado. Algunos protocolos como DDR utilizan un reloj de par diferencial sincronizado con la fuente, que tendrá una EMI radiada más baja que una conexión de reloj de extremo único (ver más abajo respecto a pares diferenciales).

Incorporando Blindaje

El uso juicioso del blindaje es otra estrategia para proporcionar inmunidad a su placa contra la EMI radiada. Esto también suprime la EMI radiada lejos de su placa. Si está trabajando con un dispositivo inalámbrico, puede simplemente colocar la antena fuera del blindaje para que aún pueda enviar y recibir señales.

La solución más simple es simplemente usar un blindaje conectado a tierra, el cual formará una jaula de Faraday alrededor de los componentes y pistas sensibles. No todos los diseños y componentes permitirán esta solución. Por lo tanto, podrías requerir un método de blindaje más elaborado. Si usas un plano de tierra uniforme en el interior de tu placa (deberías hacer esto de todos modos), una cerca de vías conectadas a tierra alrededor del borde de tu placa y el cosido de vías en regiones de cobre vertido proporcionarán una protección similar.

El blindaje puede suprimir la EMI radiada

Los recipientes de blindaje son probablemente la forma más común de blindaje en la que todos piensan, no es el único tipo posible de blindaje que se puede usar para combatir la EMI. Otros materiales de blindaje únicos que pueden proporcionar supresión de EMI de banda ancha incluyen:

• Espumas conductoras o materiales de junta de elastómero que absorben las emisiones de RF
• Materiales de malla metálica que pueden montarse en la carcasa
• Cintas metálicas que pueden usarse para superficies de acoplamiento o algunos lugares en la placa
• Recubrimientos conformados con absorción en una banda de frecuencia problemática
• Ferritas que pueden adherirse directamente a la carcasa o a los ensambles de cables

Estos otros tipos de blindaje pueden implementarse en la placa o en la carcasa cuando otras soluciones utilizadas en el PCB fallan. Personalmente, solo recomendaría el uso de latas de blindaje y algunos de estos otros materiales después de implementar toda la gama de soluciones a nivel de placa.

Diseño y Enrutamiento de Señales Mixtas

Algunos dispositivos pueden necesitar manipular datos digitales y soportar señalización analógica, lo que los convierte inherentemente en dispositivos de señal mixta. Es una buena idea intentar separar las secciones digitales, analógicas de baja frecuencia y analógicas de RF de la placa en diferentes regiones del diseño del PCB. Siempre es bueno asegurarse de que estas secciones tengan sus propias áreas dedicadas en la capa de tierra, pero la capa de tierra debe mantenerse continua. Esto significa que el desafío aquí es rastrear la ruta de retorno alrededor de la placa. El objetivo es doble: prevenir la interferencia entre diferentes secciones de la placa al mismo tiempo que se asegura de que las señales no tengan grandes inductancias de bucle al enrutarlas sobre tierra en la capa adyacente. Para aprender más sobre estrategias de puesta a tierra de señal mixta, lea este artículo.

Capacitores de Desacople/Bypass en el Bus de Alimentación

Por último, pero no menos importante, comprenda que el ruido en el bus de alimentación crea EMI, el cual puede ser radiado desde el borde de la placa. Esto requiere un diseño de apilamiento adecuado, colocación de capacitores de desacople/bypass y colocación de pares de planos de referencia/alimentación. La reducción del ruido en el bus de alimentación en sistemas digitales avanzados con muchos I/O es tanto un problema de integridad de potencia como un problema de EMI/EMC, así que concéntrese en comprender los fundamentos de la integridad de potencia para abordar estos problemas.

Diseñar conforme a los estándares de EMI/EMC para el diseño de PCB requiere las herramientas de diseño adecuadas para implementar soluciones a nivel de placa. Altium Designer^® proporciona todo lo que necesita para crear un diseño conforme o realizar retrabajos según sea necesario. Altium Designer es la plataforma CAD líder en la industria que también proporciona integración con aplicaciones de vanguardia para simulaciones de SI, PI y EMI/EMC. Cuando haya terminado su diseño y quiera enviar los archivos a su fabricante, la plataforma Altium 365^™ facilita la colaboración y el compartir sus proyectos.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comience su prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy mismo.