Falange, no fallas: el blindaje de PCB para proteger su diseño

Altium Designer
|  Creado: October 1, 2021
Arreglo de circuito en forma de escudo sobre fondo negro

Durante el siglo VII antes de Cristo, los soldados griegos – u hoplitas ─ iban blindados con un escudo cóncavo, y circular denominado hoplon. Hecho de bronce y madera, el hoplon o escudo argivo protegía a los hoplitas desde la barbilla hasta las rodillas y - cuando los superponían - conformaban lo que se convirtió en la base de la falange griega.

A comienzos del siglo XX, los etíopes usaban escudos cuando combatieron al ejército invasor italiano. El golpeteo constante sobre los escudos, mezclado con los gritos de guerra, constituían un aterrador preludio a la batalla. Los antiguos ejércitos desplegaban escudos para protegerse de ataques espurios y para crear estrategias bélicas. El diseño de una placa de circuito impreso (PCB) también se apoya frecuentemente en el uso de diferentes tipos de blindajes para proteger cualquier circuito sensible de la acción de señales anormales de radiofrecuencia (RF).

Dentro de esos puestos de avanzada de los circuitos, cables y pistas renegadas hacen todo lo posible para permitir que la interferencia electromagnética (EMI) escape hacia los confines externos de sus dominios Estas escaramuzas nunca terminan. El blindaje debería existir como parte de su estrategia general de diseño del PCB. En vez de considerar a los blindajes como una funcionalidad accesoria, los blindajes y los diseños de blindajes deberían convertirse en una parte del proceso inicial de diseño de los PCB

¿Qué beneficios aporta el blindaje a las PCB?

El circuito receptor de radiofrecuencia, la conmutación y los circuitos de reloj, emiten interferencias electromagnéticas de blindaje a través de pistas conductoras o mediante radiación. Una combinación de un buen diseño de la placa de circuito impreso con un buen blindaje mitiga la EMI. El buen diseño de PCB para blindaje de EMI gira en torno a la disposición, la colocación de filtros y de los planos de tierra. Una PCB bien diseñada minimiza las capacitancias parásitas y los bucles de masa.

Los metales, materiales magnéticos y juntas utilizadas como blindaje evitan las emisiones de EMI desde el blindaje.

En lugar de presentar una barrera física contra las lanzas y las espadas, el blindaje de PCB simula una jaula de Faraday conectada a tierra. Mientras que el plano de tierra conforma el fondo de la jaula, el blindaje metálico se puede utilizar para formar las otras cinco caras.

El blindaje causa pérdidas de energía electromagnética por reflexión y por absorción. Las pérdidas por reflexión varían con el tipo de campo y ocurren como pérdidas del aire al blindaje o del blindaje al aire. A medida que el campo se propaga a través del blindaje, se produce la perdida por absorción. La pérdida varía en función del tipo de material utilizado en el blindaje. La efectividad del blindaje estará representada por la suma de las pérdidas ocurridas por reflexión y absorción. La barrera conductiva envolvente de todo o parte del circuito, absorbe y refleja la radiación proveniente desde las antenas de bucle y crea un aislamiento eléctrico.

Carcasas para blindaje RF
Si bien su diseño no necesita el blindaje de Fort Knox, una carcasa puede ser útil.

El concepto del muro de blindaje se hizo famoso cuando las legiones Romanas crearon la formación en “tortuga”. Usted también puede utilizar un blindaje para formar un “muro” que proteja cualquier circuito sensible a las radiaciones dañinas de las interferencias electromagnéticas (EMI) emitidas por los blindajes de otros circuitos. Los campos electromagnéticos contienen campos eléctricos y magnéticos orientados en un ángulo de 90º entre sí.

Si el campo eléctrico interactúa con el campo magnético, se genera la propagación. Un muro de blindaje separa las secciones de la PCB atenuando el campo eléctrico. (campo-E) y el campo magnético (campo-F) de la onda irradiada de interferencia electromagnética con una combinación de blindajes metálico y magnético.

¿Circular o cuadrado?: diferentes blindajes para diferentes necesidades de PCB

A diferencia de los hoplones, los blindajes utilizados en las PCB no protegen de la mejilla a la rodilla. Existen enemigos ocultos, como la radiación de apertura y la resonancia de cavidad que pueden complicar la vida. La interferencia electromagnética puede aparecer en cualquier parte. A medida que los dispositivos electrónicos se reducen en tamaño, los diseños de los blindajes tienden a enfocarse en una combinación de ligereza, estabilidad mecánica y eficiencia eléctrica.

El blindaje a seleccionar para su diseño de placa dependerá de si las emisiones serán de campo cercano o de campo lejano, la frecuencia de la interferencia, y si la interferencia es del campo eléctrico o del campo magnético. Cada uno de estos factores influye en la selección del tipo y espesor del blindaje.

La mayoría de las emisiones que tienen lugar bajo un blindaje son emisiones de campo cercano. En las emisiones de campo cercano, las pérdidas por absorción y reflexión varían con la frecuencia. Un circuito digital causa que las emisiones del campo eléctrico conlleven mayores pérdidas por reflexión a menores frecuencias y mayores pérdidas por absorción a frecuencias más altas. Las fuentes de alimentación en modo de conmutación causan emisiones de campo magnético con pérdidas pequeñas por reflexión y absorción a bajas frecuencias.

Microchip y blindaje de componentes eléctricos sobre una placa de circuito azul
La protección contra pérdidas, dentro y fuera de su diseño, le permitirá sobrevivir a cualquier guerra.

Las emisiones de campo cercano y de campo lejano tienen diferentes características de origen y diferente relación E/H. La EMI de blindaje es una emisión de campo lejano. Las emisiones de campo lejano tienen mayores pérdidas por reflexión a bajas frecuencias. Frecuencias más altas causan mayores pérdidas por absorción.

Es necesario considerar dos variables clave al decidir el tipo de material del blindaje. Estas son: la conductividad, que mide la capacidad del material para conducir la corriente eléctrica; y la permeabilidad, que mide la capacidad del material para admitir la formación de un campo magnético dentro del mismo. Un blindaje que tenga alta permeabilidad tiene baja reluctancia y puede conducir un campo magnético.

Al igual que ocurre con la corriente y la resistencia, la menor reluctancia crea una vía de paso para el campo magnético. El espesor del material de blindaje se convierte en un importante factor para PCB que deban operar en aplicaciones con campos magnéticos de baja frecuencia.

También hace falta respirar: la aberturas determinan la efectividad del blindaje

Los fuertes antiguos siempre tenían puntos vulnerables que un ejército invasor podía explotar. Un buen diseño de blindaje también tendrá en cuenta la resistencia mecánica y la necesidad de flujo de aire. Los blindajes incluyen aberturas para reducir la acumulación de calor permitiendo que el aire fluya a través de las mismas. La cantidad y tamaño de las aberturas en un diseño de blindaje controlan la efectividad del mismo.

Mientras que el tener muchas aberturas reducirá la efectividad, el espaciado entre aberturas y la frecuencia determinan la magnitud de la reducción. Además la dimensión de la fuga por una apertura depende de la máxima dimensión lineal de esta.

Tanto si está buscando abastecer un ejército como si lo que desea es proteger su PCB. el primer paso debería ser siempre el escoger el mejor software de diseño de PCB con listados intuitivos de restricciones y revisión de reglas de diseño, trazado de pistas autointeractivo y un analizador de distribución de potencia de red. Altium Designer puede mantener su PCB bien protegida ante cualquier campaña que dese emprender.

Si desea conocer acerca de las mejores aplicaciones para utilizar blindajes de PCB o tienes alguna pregunta sobre las estrategias bélicas de la antigüedad, comuníquese hoy mismo con los expertos de Altium.

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