Conformidade com EMI e EMC 101 para Designers de PCB

EMI e EMC são duas áreas nas quais os projetistas de PCB têm um papel importante a desempenhar. O trabalho do projetista de PCB é garantir que um design seja elaborado de tal forma que a geração de ruído esteja abaixo dos limites regulatórios. Muitos sistemas inicialmente projetados para serem perfeitamente funcionais não passarão nos padrões regulatórios devido a práticas particulares no layout do PCB. Então, torna-se o trabalho do projetista de PCB modificar um layout de PCB para garantir que ele passe nos padrões regulatórios.

Para ajudar a prevenir repetidas rodadas de testes de conformidade com EMC, redesenhos e protótipos, existem alguns passos simples que os projetistas podem tomar para ajudar a reduzir a ocorrência de EMI excessivo no layout do PCB. Alguns desses fatores ocorrem no nível do circuito, e eles devem ser abordados na engenharia inicial e na captura esquemática. No entanto, mesmo um design de circuito perfeito pode falhar nos testes de EMC se o layout do PCB não for projetado corretamente. Este guia se concentrará nos fatores em um layout de PCB que podem levar a falhas de conformidade com EMC.

O que é Conformidade com EMC?

Todo design que se destina a chegar ao mercado em grande volume precisará ter baixa emissão de ruído durante a operação. As emissões podem ser conduzidas para longe do dispositivo (através de cabos) ou irradiadas para longe do dispositivo. Existem limites para ambos os tipos de emissões que são especificados por autoridades regulatórias, bem como grupos de padrões da indústria. A conformidade com EMC também se concentra em ESD e na capacidade dos dispositivos eletrônicos de resistir a transientes.

A tabela abaixo esboça de forma ampla o que é testado sob regulamentações de EMC mundiais e padrões da indústria de EMC. Esta lista não tem a intenção de referenciar regulamentações específicas, apenas as áreas amplas e tipos de testes que são realizados para um novo produto.

Nem todos os equipamentos precisarão de todos esses testes. Por exemplo, um dispositivo que funciona apenas com bateria não precisaria passar pelo teste de quedas de tensão e interrupções, portanto, não há necessidade de projetar a placa para esses requisitos operacionais.

A aprovação nesses testes é uma questão regulatória, e existem empresas especializadas em testar eletrônicos para garantir a conformidade com os requisitos regulatórios. Esses testes não são baratos; nos EUA, uma única rodada de testes pode custar na ordem de $10.000. As empresas não podem se dar ao luxo de gastar dinheiro repetidamente em testes, então elas precisam aprender a identificar possíveis falhas antes de enviar um design para teste.

Razões Mais Comuns para Falha em EMC no Design de PCB

A falha em EMC em um layout de PCB muitas vezes se resume a um pequeno número de razões, e é trabalho do engenheiro de testes rastrear a causa raiz da falha. Algumas dessas questões podem ser facilmente resolvidas alterando o layout, o roteamento e/ou o empilhamento do PCB.

• Terra coplanar insuficiente e/ou ausência de plano de terra
• Uso de múltiplos terras para isolamento entre sinais quando não necessário
• Recepção ou emissão de radiação de cabos e conectores
• Radiação de roteamento sem uma referência de terra consistente
• Radiação de circuitos de comutação rápida onde o terra foi removido
• Ruído de comutação de uma PDN digital suportando processadores rápidos
• Radiação de uma PDN digital que requer alta largura de banda onde ferrites são usados
• Em alguns casos, falta de blindagem no nível da placa para certos circuitos
• Emissão ou recepção de radiação de grandes seções de metal flutuante
• Caminho de retorno incompleto, levando à radiação frequentemente em altas frequências
• Falha em direcionar correntes de ESD para longe de componentes desprotegidos
• Caminhos de retorno de alta impedância entre blindagem, chassis e/ou terra
• Ruído em caminhos de retorno chegando aos entradas de CA, requerendo um circuito de Correção de Fator de Potência (PFC)

A lista acima não é exaustiva, mas cobre muitos dos casos comuns em circuitos de potência e digitais de alta velocidade, bem como alguns casos envolvendo cabos e invólucros. Muitas falhas de EMC resultantes de EMI excessivo são devidas a algumas variantes das situações listadas acima.

Se o seu papel é o de um engenheiro de testes, especialmente alguém que trabalha com pré-conformidade, seu trabalho é rastrear e eliminar todas as possíveis causas de EMI excessiva, o que poderia levar a uma falha nos testes de EMC. É muito importante abordar esses potenciais mecanismos de falha mais cedo do que tarde; daí, a necessidade de algum nível de teste de pré-conformidade. Uma falha nos testes de EMC quase sempre exigirá algum nível de redesign do sistema, o que se traduz em perda de tempo e dinheiro para sua empresa.

Dentro da lista acima, descobri que problemas com aterramento insuficiente ou o uso de múltiplos aterramentos desconectados são as razões mais comuns para falhas nos testes de EMC. Por exemplo, veja o que acontece em uma PCB de duas camadas densa. Quando PCBs de duas camadas têm colocação e roteamento densos de componentes, muitos sinais não terão aterramento suficiente e criarão muita radiação. Esta é uma das principais motivações para a mudança para uma PCB de quatro camadas.

As PCBs do Arduino são ótimos exemplos de layouts que estão se aproximando do limite de densidade de componentes. 

Devido ao potencialmente alto nível de radiação neste layout de PCB, usar uma pilha de quatro camadas de PCB seria uma maneira simples de ajudar a garantir que o design passe nos testes de EMC sem quaisquer outras grandes alterações no design. Muitas vezes, os problemas de EMI começam no empilhamento e se tornam problemas no nível do sistema, então mudanças simples como adicionar camadas de plano podem ser uma maneira rápida de fazer seu design passar nos testes de EMC.

Projetando para Garantir a Conformidade com EMC

Projetar uma PCB para garantir a conformidade com EMC requer uma mudança de pensamento. Especificamente, você precisa ver a correspondência entre o "ruído" no layout da PCB, um "radiador" conforme definido nas normas de EMC, e qualquer área onde o ruído possa acoplar para fora do sistema através de um cabo. Um reconhecimento precoce disso ajudará você a identificar possíveis erros de EMI/EMC antes de enviar um design para testes.

Layout e Roteamento

O layout e o roteamento podem influenciar as características de ruído de um circuito, mesmo que um circuito tenha sido otimizado para reduzir o ruído. Isso ocorre através do acoplamento parasitário entre fontes de ruído e circuitos, ou entre circuitos e o espaço livre. Esse problema com parasitas envolve múltiplos aspectos que são difíceis de resumir em um único artigo. Em um nível alto, existem duas abordagens para layout e roteamento que abordam parasitas:

• Capacitância - O acoplamento mais próximo ao terra é a maneira mais simples de suprimir o acoplamento capacitivo entre circuitos.
• Indutância - Um layout apertado com caminhos mais curtos entre componentes reduzirá as indutâncias de loop que permitem radiação

Por exemplo, em reguladores de potência, isso reduz significativamente o acoplamento de ruído à saída do circuito e para o espaço livre. Um exemplo que ilustra o conceito de roteamento apertado com terra no L2 (incluindo abaixo do indutor) é mostrado abaixo.

Se forem encontradas entradas/saídas de cabos que transportam emissões conduzidas excessivas, mesmo no caso em que o roteamento e o layout sejam ótimos, tente investigar antes de adicionar um filtro de modo comum ou circuito de filtro. O problema pode ser acoplamento através de um terra flutuante ou do invólucro. No entanto, em alguns casos, os filtros de modo comum são componentes simples que ajudarão a garantir a conformidade com as emissões conduzidas, e esta é uma solução fácil se o problema de ruído não afetar a funcionalidade.

Problemas Comuns de EMC Começam no Stackup

Alguns dos problemas mais comuns de emissões radiadas surgem devido a stackups ruins. Isso pode ser porque o stackup falha em suprimir ruído nos componentes, ou causa práticas ruins de roteamento que também levam a emissões radiadas excessivas. Falhas de emissões conduzidas também podem resultar de stackups ruins, o que está principalmente relacionado ao aterramento no nível do sistema criando ruído de modo comum excessivo.

Uma estratégia de design de stackup exemplar que ajuda a garantir baixo ruído, mantém a impedância para sinais de alta velocidade/RF e reduz o acoplamento indutivo/capacitivo é mostrada abaixo. Dentro de um stackup, um dos métodos mais simples para resolver certos problemas de EMI é tirar vantagem do terra. Usar terra entre camadas de sinal proporciona blindagem entre grupos de sinal enquanto também reduz emissões radiadas não intencionais das linhas de sinal. Isso também facilita a tarefa de manter caminhos de retorno nas transições de sinal.

• Saiba mais sobre designs de empilhamento para baixo ruído

Esta estratégia de manter o aterramento do sistema resolve muitos dos problemas simples de EMI associados à propagação de sinal. Embora a palavra “simples” possa implicar “pouco provável de causar falha de conformidade EMC”, não é esse o caso; falhas caras de teste podem ser rastreadas até algo tão simples quanto o arranjo de camadas no empilhamento da PCB.

Uma Abordagem Modular para Wireless

É possível ir ao mercado com um produto totalmente modular, mas apenas se os módulos que você usa para construir o produto tiverem passado individualmente pelos testes de EMC. A FCC oferece Certificação Modular, que permite o uso de módulos sem fio pré-certificados em um produto. Isso eliminará a parte do teste RF do processo de certificação do seu dispositivo, pois os módulos já terão sido certificados para operar apenas em suas faixas de rádio pretendidas.

Esta certificação não elimina a necessidade de realizar outros testes de emissões para o seu produto. No entanto, reduz o risco de falhas e ajuda a acelerar o tempo de entrada no mercado. Há outras razões para evitar esses módulos, como atingir alvos de fator de forma específicos e a possibilidade de ser incapaz de clonar ou personalizar o design.

Deve-se Usar Blindagem?

Na minha opinião, se você fizer as coisas corretamente no layout da PCB, então o uso adicional de blindagem no nível da placa ou do invólucro não deveria ser necessário apenas para passar nos testes de EMC. A razão simples para isso é que isso aumenta os custos dos componentes e da montagem. Para um protótipo, esse custo é provavelmente negligenciável, mas em alta volume, esses custos se acumulam rapidamente. Portanto, simplesmente do ponto de vista da simplicidade do dispositivo e do custo, a blindagem deve ser evitada se possível, em favor do aperfeiçoamento do design e do layout.

Existem, claro, exceções, e em algumas instâncias onde um dispositivo precisa ser implantado rapidamente, adicionar blindagem a um design existente pode ser o caminho de menor custo e menor risco. Às vezes, o layout perfeito simplesmente tem componentes barulhentos (por exemplo, motores), e mesmo com circuitos perfeitos e designs de placas, há muito ruído vindo do dispositivo. Algumas das maneiras mais rápidas de levar um protótipo até a linha de chegada dos testes de EMC incluem:

• Blindagem a nível de componente, por exemplo, latas de blindagem SMD ou de orifício passante
• Blindagem a nível de placa, por exemplo, metalização das bordas
• Placas de ferrite montadas em invólucros, placas de ferrite
• Elastômeros, compostos e juntas absorventes
• Juntas metálicas para grandes invólucros e armários
• Invólucros metalizados
• Fitas metálicas que selam superfícies de acoplamento
• Uso de revestimentos conformes absorventes

A blindagem pode ser uma opção tentadora para resolver problemas problemáticos de EMI, mas se você seguir as diretrizes de design listadas acima, então pode descobrir que componentes e materiais de blindagem adicionais não são necessários.

• Aprenda mais sobre técnicas de blindagem EMI para PCBs

Regulamentações EMC

Nenhum guia sobre conformidade EMI e EMC estaria completo sem uma breve discussão sobre regulamentações EMC. Os EUA, Reino Unido e Europa têm seus próprios conjuntos de regulamentações que governam a geração de EMI e requisitos de EMC em equipamentos eletrônicos. Essas regulamentações são semelhantes entre si em termos de suas limitações de ruído, e certos produtos que serão vendidos nesses vários mercados devem cumprir com as regulamentações EMC prevalecentes. A lista de requisitos de conformidade EMC pode ser bastante longa, então deixarei esse conteúdo para outro artigo.

• Saiba mais sobre os padrões da indústria em requisitos de EMI e EMC

Na minha opinião, os designers devem estar cientes dos padrões regulatórios e das práticas de design que impulsionam a conformidade com EMC por várias razões. Primeiro, se você opera um bureau de serviços, isso te torna muito mais valioso para seus clientes. Você terá habilidades necessárias para ajudá-los a navegar pelos obstáculos regulatórios presentes em um roteiro de entrada no mercado. Outra razão é que isso permite que você interaja mais profundamente com engenheiros de teste de EMC e fale com eles em um nível comum.

Agora que você aprendeu sobre os desafios comuns na conformidade com EMC, certifique-se de usar o conjunto completo de ferramentas de design de PCB em Altium Designer para projetar seu PCB. Altium Designer é a plataforma CAD líder do setor que também oferece integração com aplicativos de ponta para simulações de SI, PI e EMI/EMC. Quando você terminar seu design e quiser liberar os arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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