EMI no Seu Projeto de PCB de Alta Velocidade: Entenda o Tempo de Subida do Sinal

As crianças de hoje em dia não têm ideia do porquê do acoplamento de sinal eletromagnético entre circuitos próximos ser chamado de “diafonia”. Na época em que os telefones eram conectados à parede e não incluíam tela sensível ao toque ou acesso à internet, era possível ouvir sussurros fracos de outras conversas se infiltrando na sua linha telefônica. PCBs de alta velocidade experimentam o mesmo tipo de problema com a diafonia, e isso está relacionado ao comportamento dos sinais digitais propagando-se em trilhas na placa.

Entender a diafonia e a EMI em geral, seja dentro de um PCB ou de alguma fonte externa, requer compreender como o sinal em uma trilha interage com outra trilha. Se você conseguir avaliar a diafonia em um design de alta velocidade real, fica fácil determinar como o design deve mudar para reduzir a EMI e a diafonia. Existem algumas regras básicas que funcionam bem em designs de velocidade moderada, mas ajuda usar simulações para entender melhor como seus designs de alta velocidade experimentarão diafonia antes de você passar por uma revisão da placa.

Desmembrando o Termo “Design de Alta Velocidade”

Já apontamos isso em outro lugar neste blog, mas merece ser dito novamente aqui: um design de alta velocidade não significa alta frequência de relógio ou alta taxa de dados. Sinais de alta velocidade têm rápido tempo de subida, significando uma transição rápida entre dois níveis de tensão. O mesmo se aplica a sinais de múltiplos níveis, onde há uma transição muito rápida entre os vários níveis de sinal. Um tempo de subida/queda do sinal mais rápido pode criar problemas mais fortes de EMI, particularmente diafonia, em várias partes de uma PCB. Isso é verdade mesmo se a frequência do relógio do sistema for bastante baixa. Uma frequência de relógio mais rápida apenas significa que quaisquer perturbações devido a EMI ocorrerão mais frequentemente.

Os principais problemas de EMI em um design de alta velocidade incluem:

• Diafonia, principalmente devido ao acoplamento indutivo em baixas frequências e devido ao acoplamento capacitivo em frequências muito altas
• EMI Radiada, onde a EMI de sinais digitais é irradiada por uma ampla gama de frequências, desde DC até múltiplos harmônicos do relógio do sistema
• Glitches no barramento de alimentação, que inclui oscilações na alimentação e no poder, criando ondulações na ondulação DC conforme medido entre os trilhos de alimentação e o terra
• EMI Conduzida, onde o ruído em um interconector é conectado em outro lugar a outro componente, circuito ou interconector, embora isso seja menos problemático em componentes digitais

Note que os mesmos efeitos surgem com o roteamento de pares diferenciais, levando a diafonia e EMI em modo diferencial. Estes aspectos da EMI em PCBs digitais de alta velocidade estão todos relacionados ao tempo de subida/descida de uma transição de sinal.

EMI e Velocidade de Comutação

Todos esses aspectos estão relacionados à velocidade de comutação do sinal em uma PCB. Esses aspectos da EMI tornam-se desafiadores no design de alta velocidade por causa da largura de banda de um sinal digital típico. A potência em um sinal digital está concentrada desde DC até frequências muito altas (tecnicamente infinitas). Em particular, uma aproximação grosseira é que 70% da potência está concentrada desde DC até a frequência de corte, que é igual a aproximadamente um terço do inverso do tempo de subida/queda do sinal (de 10% a 90%).

Densidade espectral de potência de um exemplo de sinal digital.

Isso tudo significa que, quando o tempo de subida é mais rápido, a EMI é mais intensa. Já que geralmente não se pode optar por componentes mais lentos em qualquer situação, os designers precisam tomar algumas medidas simples para suprimir a EMI em um design de alta velocidade.

Sinalização Analógica de Alta Frequência vs. Sinalização Digital de Alta Velocidade

Muitos engenheiros que ensinei no passado não pensam em sinais digitais como ondas, mas sim os veem como estando ligados ou desligados, onde o campo elétrico existe em todo o interconector que transporta o sinal digital. Em comprimentos de interconexão muito baixos, isso é tecnicamente correto, mas isso não significa que interconexões curtas exibam mais ou menos EMI. A transição de sinal ascendente ainda cria EMI em uma gama de frequências, em vez de em uma única frequência.

Comparado aos sinais digitais, os sinais analógicos são simples. O principal fator com o qual se preocupar é a frequência do sinal e o atraso de propagação devido à velocidade finita das ondas eletromagnéticas. Uma comparação entre o período de oscilação (ou seja, inverso da frequência do sinal) e o atraso de propagação em um dado interconector determina se você precisa se preocupar com comportamento de linha de transmissão e se a terminação de trilha se torna crítica.

Potenciais Soluções: Não Existe Solução Mágica

Embora a EMI em sinalização digital de alta velocidade não possa ser completamente removida, ela pode ser suprimida usando vários métodos:

• Dimensionamento de trilhas: Roteamento de trilhas críticas diretamente sobre um plano de terra e utilizando trilhas um pouco mais largas reduz a indutância de laço, o que diminui a quantidade de diafonia gerada e recebida
• Cobre aterrado: Uma trilha aterrada pode ser roteada entre trilhas agressoras e vítimas na PCB, o que pode proporcionar cerca de 20 dB de redução na diafonia. Note que essa trilha de terra deve corresponder à referência de terra tanto para as trilhas agressoras quanto para as vítimas. Preenchimento com polígono aterrado também pode ser usado para preencher o espaço entre trilhas e diferentes blocos de circuito.
• Estruturas de isolamento: Algumas estruturas únicas na camada superficial de uma PCB podem proporcionar isolamento em frequências muito altas. Essas estruturas podem ser tão simples quanto paredes de cobre aterradas ao redor de blocos de circuitos críticos, ou complexas estruturas de banda proibida eletromagnética usadas em smartphones modernos.
• Camadas internas: Não tenha medo de rotear em camadas internas, mas certifique-se de aplicar suas regras de design de controle de impedância para garantir que as linhas internas terão a impedância correta.

PCB azul com trilhas densas

Tentar suprimir a EMI em projetos de alta velocidade devido ao diafonia apresenta uma série de desafios. Felizmente, você pode verificar que seu roteamento não experimentará diafonia excessiva quando usar as melhores ferramentas de design de PCB do setor encontradas no Altium Designer^®. Você terá acesso às melhores ferramentas de design e layout de PCB que ajudam a automatizar o roteamento e a documentação da placa, e você terá acesso a ferramentas de análise de integridade de sinal que ajudam você a projetar com a imunidade à EMI em mente.

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