Domínio do Controle de EMI no Design de PCB: Posicionamento de Componentes para EMC

Neste segundo artigo da série Domínio do Controle de EMI em Design de PCB, mergulharemos mais a fundo em um dos conceitos chave para manter baixos níveis de interferência eletromagnética (EMI).

A segregação de placas, também conhecida como particionamento de placas, é um método utilizado para organizar as diferentes partes do circuito de uma Placa de Circuito Impresso (PCB) para mantê-las separadas. Isso melhora o desempenho geral da placa, particularmente em termos de EMI. Esta técnica não apenas ajuda a reduzir a interferência eletromagnética, mas também aprimora a integridade do sinal do design da PCB.

Os princípios por trás dessas técnicas incluem:

1. Conter o conteúdo de alta energia de sinais digitais de alta frequência.
2. Evitar acoplamento de impedância comum entre diferentes tipos de circuitos dentro da placa.
3. Reduzir áreas de loop de corrente para diminuir emissões e melhorar a imunidade a interferências externas.

Sinais de Alta Velocidade vs. Baixa Velocidade e Seus Harmônicos

O primeiro conceito envolve controlar o conteúdo harmônico de alta energia produzido por sinais que alternam rapidamente e como a corrente muda rapidamente ao longo do tempo. Uma taxa maior de mudança de corrente resulta em maior energia harmônica nos sinais, aumentando a probabilidade de radiação.

O segundo conceito é que a corrente de retorno de um sinal varia com a frequência do sinal. Isso ocorre porque a impedância que um sinal encontra durante a propagação consiste não apenas na resistência dos condutores, mas também na sua capacitância e, mais importante, na sua indutância de laço. À medida que a frequência do sinal aumenta, o componente indutivo da impedância (que depende da frequência) torna-se maior.

Diferenças nos Caminhos de Retorno

Uma vez que a corrente sempre busca o caminho de menor impedância, é importante entender que, à medida que a frequência do sinal aumenta, a corrente de retorno segue de perto a corrente do sinal para minimizar o laço indutivo. Por outro lado, em frequências de sinal baixas, onde a indutância se torna pequena, o componente resistivo da impedância torna-se predominante.

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Neste estágio, a corrente de retorno se espalha pela superfície do condutor para encontrar o caminho de menor resistência. O ponto crítico para os designers de PCB é que o caminho da corrente de retorno de volta à fonte depende da frequência do sinal.

Figura 1 - Exemplo de diferentes caminhos de corrente de retorno baseados na frequência no Altium Designer

Nosso trabalho como projetistas de PCB é minimizar a interferência entre essas correntes de retorno para evitar o acoplamento por impedância comum, que pode levar a emissões eletromagnéticas. Para alcançar isso, podemos criar zonas ou seções específicas na PCB, cada uma dedicada a um tipo particular de circuitaria. Isso também reduz os laços de corrente, levando a menos radiação de correntes em modo diferencial.

Pode parecer tentador criar uma divisão no Plano de Referência de Retorno (RRP) para isolar ainda mais os caminhos das correntes de retorno de diferentes circuitos. No entanto, essa abordagem não segue as melhores práticas para EMC porque cria uma diferença de tensão entre duas áreas metálicas, formando uma estrutura semelhante a uma antena que pode causar emissões eletromagnéticas.

Figura 2 - Exemplo de uma divisão incorreta do plano em Altium Designer

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A solução é implementar um plano de referência de retorno sólido e de baixa impedância que permite que a corrente de retorno encontre o caminho preferencial de volta à fonte. Esse plano não deve ter cortes, divisões ou grandes lacunas que possam atuar como fontes de ruído de modo comum. A colocação dos componentes deve então ser dividida em seções distintas, distribuindo os componentes com base em seu tipo de circuitaria e função.

Para uma placa de sinal misto, a segregação típica é dividir a placa em uma seção digital, uma seção de energia, uma seção analógica, uma seção de entrada/saída e, quando necessário, uma seção de filtragem. A seção digital, por exemplo, deve ser colocada longe de outros componentes. Embora a corrente de retorno siga de perto os traços de sinal, a alta energia no conteúdo harmônico dos sinais irá irradiar mais efetivamente e poderá acoplar com outras seções da placa.

Um exemplo disso é quando o sinal de relógio acopla a outras redes em outras partes da placa, como as seções de energia e analógica, que podem ter cabos conectados a elas que atuam como antenas, promovendo emissões.

Estruturas de Antena com Cabos

A seção de entrada/saída é crucial, não apenas para limitar a injeção de ruído nos cabos, mas também para permitir uma maior isolamento através de técnicas de filtragem e blindagem para reduzir interferências externas ou limitar emissões de ruído da placa. O layout deve considerar cabos e dispositivos ou estruturas circundantes. A seção digital deve ser colocada longe desta área de entrada/saída, idealmente no interior da placa, longe das bordas, para evitar o acoplamento do conteúdo harmônico de alta energia aos cabos ou a irradiação pelas bordas.

Figura 3 - Exemplo de uma divisão de plano incorreta no Altium Designer

Além disso, é recomendado colocar todos os cabos de entrada e saída em um lado da placa, em vez de em várias bordas, prevenindo diferenças de tensão entre os cabos e evitando estruturas semelhantes a antenas que podem promover a radiação de sinais digitais ou ruído.

Conclusão

Seguindo estas recomendações, você pode reduzir efetivamente as emissões radiadas e limitar o acoplamento de interferências externas no seu projeto.

No próximo artigo, exploraremos como selecionar o empilhamento de PCB ótimo para melhorar o desempenho contra EMI e reduzir o risco. Certifique-se de seguir nossas páginas e redes sociais para mais insights.

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