Fuentes de EMI radiada en PCBs de alta velocidad/alta frecuencia

La imagen de arriba muestra una instantánea de los resultados de una prueba EMC bajo los requisitos de CISPR (EE. UU. utiliza los requisitos de certificación FCC). Este producto está justo en el límite de la Clase B en emisiones radiadas. Podemos ver un espectro de resonancia muy complicado en este gráfico con un gran número de picos agudos superpuestos en picos anchos a un nivel más bajo. ¿Qué causa todo este ruido radiado? Hay varias fuentes que pueden causar este tipo de emisión desde una placa. Curiosamente, la placa puede funcionar perfectamente siempre y cuando las partes sensibles de la placa estén adecuadamente aisladas; estos problemas no son obvios hasta que se investiga en el régimen de campo lejano.

Controlar la EMI radiada de trazas, planos y componentes requiere controlar el campo electromagnético eligiendo la geometría correcta para tus conductores y componentes. Esto significa que necesitarás seleccionar el apilamiento correcto para tu frecuencia de operación particular con el fin de controlar los campos eléctricos en tu placa. Una vez que te mueves a frecuencias muy altas (estamos hablando de frecuencias de onda milimétrica), hay otros efectos que pueden surgir debido a la disposición de las capas de plano.

Identificación de Fuentes de EMI Radiada a partir de Resultados de Pruebas

Los resultados de prueba mostrados arriba nos permiten identificar tres fuentes de EMI radiada:

Armónicos de Reloj

Estas resonancias de alta Q (ver los picos muy estrechos en la imagen anterior) son armónicos de alguna frecuencia fundamental de reloj. Se originan a partir de la señal de reloj como EMI conducida. La señal de reloj ideal solo contendría una única frecuencia (la tasa de repetición), lo que significa que sería sinusoidal. Los pulsos de reloj son cuadrados y, idealmente, solo contienen armónicos impares de la frecuencia fundamental (de nuevo, la tasa de repetición). Los pulsos de reloj reales también contienen algo de contenido armónico par debido a un tiempo de subida no nulo y/o ciclos de trabajo que no son iguales al 50%. Finalmente, los pulsos de reloj, al igual que cualquier pulso digital, pueden tener un límite de banda inhomogéneo debido a filtrado parasitario o intencional.

La energía electromagnética en estas resonancias de alta Q puede dispersarse a un rango espectral más amplio utilizando la técnica de esparcimiento espectral en el reloj. Esto se utiliza normalmente en interfaces PCIe y SRAM para reducir la EMI, así como en otros sistemas digitales.

Resonancias de la Placa

Cuando decimos "resonancias de la placa", nos referimos a un gran número de resonancias electromagnéticas que surgen debido a la geometría de los conductores en la placa. Esto incluye tu apilamiento, pistas, elementos conductivos en componentes y cualquier otra cosa que lleve una corriente eléctrica. Estas pueden ser resonancias de baja Q (los picos más anchos y de menor intensidad en la imagen anterior) y generalmente no están relacionadas entre sí por múltiplos enteros de alguna frecuencia fundamental.

Esto también incluye cavidades en tu placa que brindan alguna oportunidad para que el campo electromagnético resuene en tu placa. Esto incluye huecos en la trama de fibra en tu sustrato y cavidades formadas por conductores paralelos en capas adyacentes. Estas cavidades pueden ser pérdidas ya que esencialmente están abiertas en una o más direcciones, por lo tanto, las bandas de frecuencia son bastante amplias en comparación con las resonancias de reloj.

Finalmente, si hay líneas de transmisión no terminadas en tu placa, la reflexión de la señal produce ondas estacionarias con resonancias fuertes en frecuencias específicas (generalmente múltiplos pares y/o impares de alguna frecuencia fundamental). Estas también aparecen como resonancias de alta Q. Estas resonancias particulares se eliminan con un adecuado emparejamiento de impedancias y enrutamiento controlado por impedancia.

Transitorios en el Bus de Potencia

La respuesta transitoria en tu bus de alimentación durante el conmutado también actúa como una fuerte fuente de EMI conducida y radiada. Esto es análogo a lo que ocurre en un regulador de conmutación. A medida que un CI aguas abajo conmuta, extrae una cantidad significativa de energía a través del bus de alimentación. Esto extrae un estallido de corriente de la fuente de alimentación y de la red de desacoplamiento. Este rápido estallido de corriente y la oscilación transitoria de voltaje/corriente resultante en el bus de alimentación actúa como una fuente de EMI radiada. Cuando el CI en cuestión conmuta más rápido y extrae más corriente, induce un pulso más fuerte de EMI radiada.

La solución aquí es asegurar suficiente capacitancia interplana y una capacitancia de desacoplamiento lo suficientemente grande para minimizar la potencia radiada desde el bus de alimentación. En otras palabras, para una corriente dada extraída durante la conmutación, tu única solución es minimizar la fluctuación de voltaje minimizando la impedancia de tu PDN. Esto se trata de diseñar tu apilado correctamente. Echa un vistazo a este artículo de Rick Hartley en Signal Integrity Journal para algunas recomendaciones de apilado para combatir la EMI radiada resultante de problemas de integridad de potencia.

Resonancias de Cavidad

Las resonancias de cavidad se mencionaron en la lista anterior como una fuente de EMI radiada. Cualquier señal digital de AC/conmutación que viaje a lo largo de una pista produce una onda electromagnética, la cual puede excitar resonancias de cavidad a lo largo de tu placa. Estas cavidades no necesitan estar ubicadas cerca de la pista en cuestión; las cavidades pueden ser no locales, lo que significa que el campo electromagnético se aleja del conductor en cuestión y excita una resonancia en otro lugar de tu placa.

Estas cavidades, por definición, son cavidades abiertas, lo que significa que algo de campo se filtrará fuera de la placa a medida que el campo electromagnético se propaga. Las cavidades con resonancias fuertes pueden ser una fuente prominente de EMI radiada, y la emisión más fuerte tiende a observarse desde los bordes de tu placa; esto es conocido como el efecto de borde de resonancia de cavidad (CREE) dentro de la comunidad de investigación. Un ejemplo es un caso que involucra la colocación incorrecta de un plano de tierra debajo de un oscilador de cristal, lo cual efectivamente forma una antena de parche alimentada por el centro.

El trazado de pistas cerca de sus planos de referencia asegura que los circuitos tengan una menor susceptibilidad a la EMI, y también asegura que un circuito dado emita menos radiación (gracias a la reciprocidad). Esto se debe a que se induce una señal de imagen más fuerte y más estrechamente acoplada en la capa del plano. Colocar pistas y planos más cerca entre sí también provoca las resonancias correspondientes a las emisiones de cavidad de la placa. Las brechas en la trama de fibra pueden tener resonancias fundamentales en el rango de GHz, y usar una trama más ajustada también desplazará las resonancias de la trama de fibra a frecuencias más altas, y también reducirá el sesgo.

Una forma simple de suprimir las emisiones de las cavidades en su placa es usar una cerca de vías aterrizadas alrededor de circuitos específicos y el borde de su placa. Dimensionar el diámetro de la vía y el espaciado le permite crear una imagen resonante de la resonancia de la cavidad, lo que suprime la emisión. El espaciado óptimo de la vía es una octava parte de la longitud de onda (en el dieléctrico) de la resonancia que desea suprimir. Aunque esta estructura conlleva mayores costos de fabricación, puede significar la diferencia entre aprobar y reprobar las pruebas de EMC.

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