Linee guida PCB EMI/EMC: Rispettare gli standard EMI/EMC nei tuoi progetti

Cosa succederebbe se mettessi due cellulari uno accanto all'altro e improvvisamente entrambi smettessero di funzionare correttamente? Fortunatamente, ciò non accade perché progettisti e produttori hanno compiuto seri sforzi per garantire che questi dispositivi rispettino gli standard EMC sulle EMI condotte e irradiate. Qualsiasi dispositivo dovrebbe essere conforme agli standard EMC prima di poter essere immesso sul mercato.

Sebbene possa sembrare complicato, esistono diverse strategie di progettazione semplici per aiutare il tuo prossimo dispositivo a superare i test EMC. Informarsi sulle varie organizzazioni che definiscono gli standard EMC e sulle loro specifiche è un buon punto di partenza.

Standard EMC/EMI per la Progettazione di PCB

Gli standard EMC si dividono in due ampie categorie: standard normativi e standard industriali. Gli standard normativi per il tuo progetto dipendono da dove desideri commercializzare e vendere il tuo prodotto (non necessariamente dove viene progettato o prodotto). Alcuni dei primi standard EMC sono stati stabiliti dalla Commissione Federale delle Comunicazioni degli Stati Uniti nel 1979. La Comunità Europea in seguito ha definito i propri standard EMC, che hanno formato la base per gli standard futuri dell'Unione Europea, ora noti come Direttiva EMC - ufficialmente denominata Direttiva sulla Compatibilità Elettromagnetica (EMC) 2014/30/UE del Parlamento Europeo (puoi visualizzare lo standard europeo qui).

La conformità agli standard di settore non è solo una questione legale, ma anche una questione specifica del settore per garantire uniformità e interoperabilità tra le apparecchiature elettroniche impiegate in ambienti e aree di applicazione specifici. Effettivamente, gli standard EMC del settore svolgono lo stesso ruolo degli altri standard di settore sulla produzione, assemblaggio, prestazioni, ecc. Le principali organizzazioni di standardizzazione del settore e gli enti regolatori che definiscono i requisiti EMC includono:

• Commissione Federale delle Comunicazioni degli Stati Uniti (FCC)
• Amministrazione Federale dell'Aviazione degli Stati Uniti (FAA)
• Laboratori Underwriter (UL)
• Commissione Tecnica Americana per la Radio Aeronautica (RTCA)
• Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), attraverso il Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)
• Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO)
• Società degli Ingegneri Automobilistici (SAE)
• Istituto degli Ingegneri Elettrici ed Elettronici (IEEE)
• Il militare degli Stati Uniti attraverso il suo insieme di standard MIL-STD

Mentre gli standard IEC e CISPR sono più popolari in Europa, gli standard IEEE sono più popolari negli Stati Uniti. In particolare, gli standard IEEE costituiscono la base per i test di calibrazione delle antenne. I requisiti EMC MIL-STD sono tra gli standard più rigorosi a livello mondiale ed erano alcuni degli standard originali adattati al settore commerciale per i dispositivi elettronici.

Requisiti Generali per la Conformità agli Standard EMC

Le aziende che rilasciano dispositivi o prodotti non conformi potrebbero ricevere un avvertimento o essere multate per somme sostanziose di denaro. Il mancato rispetto dei requisiti EMC rappresenta anche un problema di sicurezza e danneggia la reputazione di un'azienda. Progettare tenendo conto dell'EMC può aiutare a garantire che non riceverete sanzioni civili una volta che il vostro dispositivo esce dalla linea di fabbricazione. I progettisti adottano misure per conformarsi agli standard EMC considerando l'EMI da due prospettive:

• Progettare per l'immunità EMI: Progettare un dispositivo per resistere all'EMI indesiderato proveniente da dispositivi vicini. Questo inizia tipicamente con la giusta strategia di stackup e di routing.

• Sopprimere l'EMI irradiato: Progettare un dispositivo per minimizzare la radiazione che emette. Lo stack dei layer, la strategia di messa a terra, il posizionamento dei componenti e, possibilmente, lo schermaggio giocano tutti un ruolo qui.

• Sopprimere l'EMI condotto: L'EMI condotto assume diverse forme, come il rumore accoppiato in modo comune o differenziale, il rumore di commutazione dai regolatori SMPS o le armoniche ricevute dalla rete.

• Transitori rapidi o fluttuazioni di potenza: Questi tipi di rumore si presentano come serie di impulsi iniettati, brevi cali di tensione, cali periodici o picchi di potenza. La progettazione dovrebbe impedire che questi appaiano come rumore su un'uscita o un carico. Questi requisiti sono applicabili su progetti con cavi corti o ingressi AC, rispettivamente.

• Soppressione di sovratensioni e ESD: Generalmente ci concentriamo sul rumore quando discutiamo di EMI/EMC, ma resistere a sovratensioni e ESD sono aspetti importanti anche nella progettazione per conformarsi agli standard EMC.

Misurazione EMC radiata con una sonda a campo vicino

Alcune strategie per aumentare le tue possibilità di superare i test degli standard EMC

Ci sono alcune pratiche di progettazione di base che ogni progettista dovrebbe utilizzare per assicurarsi che le loro schede superino anche i controlli EMC di base.

Stackup, Alimentazione e Messa a Terra

Una strategia di conformità EMC inizia con il tuo stack di strati. Progettare la tua scheda con un sistema di messa a terra a bassa induttanza ha l'effetto più grande nel minimizzare la suscettibilità all'EMI. Con schede multistrato, dovresti posizionare un piano di terra direttamente sotto gli strati di segnale per minimizzare l'induttanza di loop.

L'interferenza nei segnali a basso livello porta a rapporti segnale-rumore più bassi. Quindi, è una buona idea instradare questi segnali su uno strato interno. Se hai abbastanza strati nel tuo stack, posiziona queste tracce tra due piani di terra, e poi posiziona il tuo piano di alimentazione sotto il piano di terra più in basso. Posizionare il piano di alimentazione vicino al piano di terra fornisce un forte accoppiamento capacitivo. Qualsiasi rumore o EMI condotto nel piano di alimentazione sanguinerà facilmente nel piano di terra vicino piuttosto che interferire con i segnali.

Fai attenzione quando instradi i segnali da uno strato interno a uno strato superficiale poiché dovrai mantenere un accoppiamento stretto. Puoi mantenere l'accoppiamento con un piano di riferimento posizionando un via parallelo vicino tra il piano di massa e lo strato superficiale. Altri problemi EMC come l'instradamento e il posizionamento dell'orologio possono essere problematici e creare eccessivo rumore, in particolare quando si cambiano i piani di riferimento in un PCB multistrato. Se possibile, cerca di non utilizzare protocolli che richiedono un oscillatore di riferimento esterno, e invece usa protocolli che hanno un orologio incorporato. Alcuni protocolli come DDR utilizzano un orologio a coppia differenziale sincronizzato con la sorgente, che avrà un'EMI irradiata inferiore rispetto a una connessione di orologio a terminazione singola (vedi sotto riguardo le coppie differenziali).

Incorporare la Schermatura

L'uso giudizioso della schermatura è un'altra strategia per fornire alla tua scheda immunità dall'EMI irradiata. Questo sopprime anche l'EMI irradiata lontano dalla tua scheda. Se stai lavorando con un dispositivo wireless, puoi semplicemente posizionare l'antenna all'esterno della schermatura in modo che possa ancora inviare e ricevere segnali.

La soluzione più semplice consiste nell'utilizzare uno schermo collegato a terra, che formerà una gabbia di Faraday attorno ai componenti e alle tracce sensibili. Non tutti i progetti e i componenti possono adattarsi a questa soluzione. Pertanto, potrebbe essere necessario un metodo di schermatura più elaborato. Se utilizzi un piano di massa uniforme all'interno della tua scheda (cosa che dovresti fare comunque), una recinzione di via collegate a terra attorno al bordo della tua scheda e il via stitching nelle regioni di copper pour forniranno una protezione simile.

La schermatura può sopprimere l'EMI irradiata

Le scatole di schermatura sono probabilmente la forma più comune di schermatura a cui tutti pensano, ma non è l'unico tipo possibile di schermatura che può essere utilizzato per combattere l'EMI. Altri materiali di schermatura unici che possono fornire una soppressione dell'EMI a banda larga includono:

• Materiali in schiuma conduttiva o guarnizioni in elastomero che assorbono le emissioni RF
• Materiali in rete metallica che possono essere montati sull'involucro
• Nastri metallici che possono essere utilizzati per superfici di accoppiamento o alcuni punti sulla scheda
• Rivestimenti conformali con assorbimento in una banda di frequenza problematica
• Ferriti che possono essere attaccate direttamente all'involucro o agli assemblaggi di cavi

Questi altri tipi di schermature possono essere implementati sulla scheda o nell'involucro quando altre soluzioni utilizzate sul PCB falliscono. Personalmente, raccomanderei l'uso di scatole di schermatura e alcuni di questi altri materiali solo dopo aver implementato l'intera gamma di soluzioni a livello di scheda.

Layout e Routing per Segnali Misti

Alcuni dispositivi possono necessitare di manipolare dati digitali e supportare segnalazioni analogiche, rendendoli di fatto dispositivi a segnale misto. È una buona idea cercare di separare le sezioni digitali, analogiche a bassa frequenza e analogiche RF della scheda in diverse aree del layout del PCB. È sempre bene assicurarsi che queste sezioni abbiano le loro aree dedicate nello strato di massa, ma lo strato di massa dovrebbe essere mantenuto continuo. Ciò significa che la sfida qui è tracciare il percorso di ritorno intorno alla scheda. L'obiettivo è duplice: prevenire interferenze tra diverse sezioni della scheda garantendo allo stesso tempo che i segnali non abbiano grandi induttanze di loop indirizzandoli sopra la massa nello strato adiacente. Per saperne di più sulle strategie di messa a terra per segnali misti, leggi questo articolo.

Condensatori di Bypass/Decoupling sul Bus di Alimentazione

Infine, ma non meno importante, comprendere che il rumore sul bus di alimentazione crea EMI, che può essere irradiato dal bordo della scheda. Questo richiede una progettazione adeguata dello stackup, il posizionamento di condensatori di bypass/decoupling e il posizionamento della coppia piano di riferimento/piano di alimentazione. La riduzione del rumore sul bus di alimentazione nei sistemi digitali avanzati con molti I/O è tanto un problema di integrità della potenza quanto un problema di EMI/EMC, quindi concentratevi sulla comprensione dei fondamenti dell'integrità della potenza per affrontare questi problemi.

Progettare secondo gli standard EMI/EMC per il design delle PCB richiede gli strumenti di layout giusti per implementare soluzioni a livello di scheda. Altium Designer^® fornisce tutto ciò di cui hai bisogno per creare un layout conforme o eseguire lavori di rielaborazione secondo necessità. Altium Designer è la piattaforma CAD leader del settore che offre anche l'integrazione con applicazioni all'avanguardia per simulazioni di SI, PI e EMI/EMC. Quando hai terminato il tuo design e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei tuoi progetti.

Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.