Domínio do Controle de EMI em Design de PCB: Prevenção de Crosstalk para um melhor EMI

Bem-vindo ao sexto artigo da série, Dominando o Controle de EMI no Design de PCB. Neste artigo, exploraremos como o crosstalk pode afetar tanto a integridade do sinal quanto a EMI, e discutiremos quais medidas tomar para abordar isso em nossos designs.

Figura 1 - Exemplo de Design de PCB no Altium Designer^®

O crosstalk é um dos problemas mais frequentemente encontrados em designs modernos de Placa de Circuito Impresso (PCB). À medida que a densidade das PCBs continua a aumentar, esse fenômeno está se tornando ainda mais prevalente. A tendência de integrar mais interfaces de alta velocidade em áreas cada vez menores da placa exacerba o desafio, pois layouts compactos levam a uma proximidade maior entre as trilhas, o que aumenta significativamente a probabilidade de crosstalk.

Em essência, o crosstalk de sinal refere-se à transferência não intencional de um sinal elétrico de uma rede (ou trilha) para outra. Isso ocorre quando o campo eletromagnético gerado por um sinal que viaja ao longo de uma trilha interage com uma trilha adjacente. Neste contexto, a trilha que carrega o sinal original é comumente referida como o "Agressor", enquanto a trilha que recebe o sinal indesejado é conhecida como a "Vítima".

Figura 2 - Exemplo de como o crosstalk pode se manifestar em um circuito

No campo da interferência eletromagnética (EMI), o crosstalk torna-se muito importante porque não só pode ser a causa de interferências dentro de um sistema, mas também pode se tornar a fonte de emissões eletromagnéticas que perturbam outros dispositivos. O que é importante observar em relação ao crosstalk é que ele não ocorre apenas entre os traços de sinal, onde a corrente do sinal se propaga, mas também ocorre nos condutores de referência de retorno, onde a corrente de retorno flui de volta para sua fonte. É aqui que fenômenos como “ground bounce” ocorrem, que também é um caso de crosstalk que acontece no condutor de referência de retorno.

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Entendendo o Crosstalk e Seus Efeitos

O fenômeno do crosstalk ocorre por duas razões principais: acoplamento capacitivo e acoplamento indutivo entre condutores. Quando duas ou mais trilhas são roteadas muito próximas uma da outra, e quando uma tensão de sinal e corrente mudam ao longo do tempo, os campos de franja (campos elétricos e magnéticos) nas bordas das trilhas de sinal (chamadas de Agressor) podem se acoplar às trilhas próximas (Vítimas), resultando em ruído indesejado nessas trilhas próximas.

A tarefa do projetista de PCB, em termos de reduzir o crosstalk e efetivamente reduzir a EMI, é minimizar os efeitos que esses campos de franja têm sobre outros condutores, de modo que o ruído não se propague de uma trilha para outra.

Figura 3 - Exemplo de acoplamento indutivo e capacitivo entre trilhas de sinal

Em termos de EMI, isso se torna um problema quando o ruído gera emissões, seja das trilhas do PCB, seja dos fios conectados a essas trilhas ou condutores.

Tipos de Diafonia

Ao lidar com diafonia, também é importante distinguir entre dois tipos: Diafonia de Extremidade Próxima (NEXT) e Diafonia de Extremidade Distante (FEXT).

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Diafonia de Extremidade Próxima, também chamada de NEXT, é o tipo de diafonia que ocorre na mesma extremidade da linha de transmissão onde o sinal é transmitido. Essencialmente, é a interferência captada por um condutor próximo na extremidade de transmissão do circuito.

Diafonia de Extremidade Distante, ou FEXT, refere-se à diafonia que ocorre na extremidade oposta da linha de transmissão de onde o sinal é transmitido. É a interferência captada por um condutor próximo na extremidade de recepção do circuito. A principal diferença é que a NEXT ocorre perto da extremidade de origem, enquanto a FEXT ocorre perto da extremidade de destino. NEXT acontece na direção inversa da propagação do sinal (direção para trás), enquanto FEXT acontece na direção da propagação do sinal (direção para frente).

Exemplos práticos e estratégias de layout no Altium Designer^®

Sem entrar demais nas complexidades do crosstalk de sinal, que poderiam preencher uma série inteira, existem várias maneiras de reduzir seus efeitos. A maioria dessas técnicas depende da maneira como projetamos o layout da PCB, o que significa que a forma como projetamos geometricamente a PCB se torna muito importante. As maneiras mais eficazes de reduzir o crosstalk estão, de fato, relacionadas a como dispomos os condutores em relação uns aos outros na PCB.

Uma das primeiras estratégias que podemos usar é aumentar o espaço entre os condutores para que os campos elétricos e magnéticos não se acoplem entre si.

Figura 4 - Exemplo do espaçamento de trilhas de sinal antes e depois da melhoria

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Outra técnica que podemos usar é reduzir o espaço entre as trilhas de sinal e o plano de referência de retorno. Isso acoplará firmemente os campos de sinal aos seus planos de referência de retorno, reduzindo a propagação desses campos para outros condutores.

Além disso, reduzir o comprimento de ambos os condutores, o condutor de sinal e o condutor de referência de retorno, reduzirá a quantidade de acoplamento entre diferentes redes. Isso também é intuitivo, pois quanto menos o condutor estiver exposto, menor a chance de o ruído se acoplar com outros condutores.

Figura 5 - Visão 3D de planos de referência de sinal e retorno acoplados de forma compacta com Altium Designer^®

Outro método comum para reduzir o crosstalk, que é efetivamente aplicado a ICs, conectores e trilhas de PCB, é fornecer múltiplos condutores para o caminho de retorno de diferentes sinais.

Isso significa, por exemplo, usar múltiplos caminhos de retorno ao usar cabos de fita ou outros conectores, em vez de usar um único condutor de retorno para várias redes de sinal.

Estratégias de simulação com Altium Designer^®

Em vez de confiar em suposições educadas sobre o crosstalk em nosso layout de circuito, é importante usar ferramentas avançadas para cálculos precisos.

A funcionalidade de Integridade de Sinal incorporada no Altium Designer^® é uma ferramenta poderosa para este propósito. Esta funcionalidade nos permite simular e analisar o crosstalk em trilhas de PCB, possibilitando previsões precisas e uma compreensão mais profunda dos níveis de crosstalk. Ao usar esta ferramenta, podemos refinar e otimizar nosso design com maior precisão.

Figura 6 - Exemplo de simulação de crosstalk usando Altium Designer^®

A ferramenta de Integridade de Sinal oferece simulações detalhadas que nos ajudam a avaliar vários compromissos de design. Entender esses compromissos é essencial para minimizar interferências e alcançar o desempenho ótimo. As percepções obtidas com esta ferramenta são muito mais confiáveis do que aquelas obtidas apenas por adivinhação.

Figura 7 - Exemplo de avaliação de diafonia usando a ferramenta de Integridade de Sinal no Altium Designer^®

Utilizar essa ferramenta avançada nos ajuda a tomar decisões informadas, equilibrando as necessidades de desempenho com as restrições de layout. Esta abordagem melhora tanto a confiabilidade quanto a funcionalidade do nosso circuito, aprimorando a integridade do sinal e o desempenho EMI, enquanto aumenta a eficiência geral do design.

Conclusão

Em conclusão, para reduzir efetivamente a diafonia de sinal e melhorar o desempenho EMI de nossas placas de circuito impresso, temos várias estratégias à nossa disposição. O uso da ferramenta de Integridade de Sinal embutida no Altium Designer é indispensável para prever e mitigar com precisão a diafonia em nossos layouts de PCB. Esta ferramenta nos capacita a tomar decisões baseadas em dados, garantindo que nossos designs atendam às especificações requeridas e funcionem de maneira confiável sob várias condições.

Se você perdeu algum dos artigos anteriores da série abrangente "Dominando o Controle de EMI em Design de PCB", encorajamos fortemente que visite as páginas da Altium para se atualizar sobre todo o conteúdo perspicaz.

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