EMI de Cabos de PCB Flexíveis em Sistemas Multiboard

Os cabos de circuito impresso flexíveis são muito úteis para economizar espaço e possibilitar aplicações dobráveis em eletrônicos. Os cabos de circuito impresso flexíveis também permitem que alguns circuitos sejam montados, e fixações únicas em uma caixa são possíveis incorporando reforços e furos de montagem. Embora os circuitos impressos flexíveis possam custar mais do que uma opção de cabo com fios padrão, eles podem habilitar aplicações de maior valor que definitivamente compensam o custo de design e fabricação.

Assim como qualquer outra interconexão de placa para placa, os PCBs flexíveis podem experimentar problemas de EMI. Isso inclui a emissão de EMI pelos conectores para sinais no interconector flexível, ou o cabo de uma fonte externa. A construção única dos cabos flexíveis admite soluções interessantes que devem ser consideradas para muitos designs, incluindo sistemas militares e aeroespaciais altamente robustos. Neste artigo, vou discutir alguns dos fatores de design que abordam os desafios de EMI em cabos de circuito impresso flexíveis.

Uso de Cabos de Circuito Impresso Flexíveis Levando a EMI

Dispositivos que utilizam cabos de circuito impresso flexível variam amplamente em aplicação, indo desde dispositivos digitais ultra-compactos até sistemas altamente robustecidos para automotivo, militar e aeroespacial. Os cabos de circuito impresso flexível mais frequentemente ficam dentro da caixa do dispositivo e não são expostos ao ambiente externo. Em alguns produtos, como um produto modular, o cabo flexível é exposto fora da caixa e terá diferentes características de imunidade a EMI.

Em vez de serem terminados com dedos de ouro para um conector ZIF/conector de borda, os circuitos impressos flexíveis podem ser terminados com um conector padrão de placa para placa, e essa terminação do conector pode ser um ponto onde EMI, como um pulso ESD, pode entrar no seu sistema. Após perceber esses fatores de risco para EMI, existem algumas práticas de design que podem ser usadas para suprimir ou prevenir EMI em um circuito impresso flexível.

Aterramento Hachurado e Densidade de Hachura

Um dos principais desafios com placas de circuito flexíveis que suportam alta velocidade ou alta potência é que elas não podem usar planos sólidos. Para cabos flexíveis que roteiam energia, isso muitas vezes significa múltiplas camadas de cobre que são hachuradas, pois isso permitirá que o cabo flexível seja formado e dobrado conforme necessário, enquanto ainda fornece a capacidade de condução de corrente requerida. No caso do roteamento de sinal, um plano de terra hachurado é necessário para definir a impedância do traço e reduzir as emissões irradiadas das linhas de sinal.

Se um cabo flexível estiver experimentando excesso de diafonia ou estiver captando muita EMI externa, pode ser necessário um aterramento hachurado mais apertado. Diminuir a abertura da hachura aumentará a quantidade de cobre por unidade de área, e isso aumentará a capacidade de blindagem da camada do plano. Infelizmente, os requisitos de potência e os requisitos de largura de banda do canal para sinais de alta velocidade podem ficar tão altos que um cabo flexível não será mais útil, e um cabo com fios padrão será necessário.

Qual deve ser o fator de preenchimento de cobre versus abertura de trama a ser usado em um plano traçado? É muito difícil fazer declarações generalizadas, pois isso depende de como a trama é usada. A trama pode ser usada como terra para sinais digitais e para fornecer controle de impedância, caso em que a abertura de terra traçada deve ser menor que uma fração da distância de propagação do sinal durante seu tempo de subida. No caso de alimentação e terra, a abertura da trama não deve ser tão grande a ponto de reduzir significativamente a capacidade de condução de corrente do cabo flexível. Simulações são frequentemente necessárias para caracterizar a impedância, resistência DC e manejo térmico de planos traçados.

Uma simulação de impedância de plano traçado mostra a periodicidade da trama, o que pode permitir que EMI de alta frequência seja recebida por ou emitida a partir do cabo PCB flexível.

Radiação de Conectores Compatíveis

Transições de sinal através de conectores acoplados podem ser fontes de emissões radiadas, o que pode ocorrer em conectores de montagem em superfície, conectores ZIF para dedos banhados e conectores de pinos passantes. Cabos flexíveis usados para interconexões digitais de alta velocidade certamente podem ter problemas com emissões radiadas de conectores acoplados, principalmente devido à falta de aterramento suficiente no pinout do conector. Interconexões flexíveis que transportam energia também podem ser fontes de emissões por múltiplas razões. Algumas das razões comuns pelas quais conectores acoplados levam a emissões são:

• Descompasso de impedância visto por sinais de altíssima velocidade
• Ruído modo comum em trilhas, que irradia do cabo flexível
• Filtragem insuficiente permitindo ruído de comutação em um cabo
• Falta de aterramento no pinout do conector
• Uso incorreto de um escudo de cabo em um conector blindado
• Conectar um escudo de conector ao aterramento do sistema em vez de ao aterramento do anel do chassis

Este conector acoplado para um cabo flexível pode ser uma fonte de emissões radiadas, tipicamente devido à falta de aterramento ou reflexões de sinal.

Para ajudar a garantir uma referência de terra com boa acoplamento para sinais e energia, aloque alguns pinos no conector para terra em ambos os lados da interface de acoplamento. Isso irá unir a terra através da interconexão flexível e garantirá que os sinais não estejam cruzando divisões nos condutores de referência. Quanto ao blindagem em conectores, estes muitas vezes não estão expostos ao ambiente externo, e assim, um design de cabo flexível pode não ver nenhum benefício em usar conectores blindados dentro de uma caixa.

Filtragem em Linhas de Sinal e Energia de Cabo Flexível

Assim como ocorre em sistemas de PCBs rígidas e cabos, a filtragem pode ser usada em entradas e saídas para abordar EMI irradiada e conduzida. Ao reduzir emissões conduzidas por um cabo flexível, a EMI irradiada também pode ser reduzida uma vez que o ruído se propaga para uma interface de acoplamento insuficientemente aterrada. Opções para filtragem estão disponíveis, seja diretamente em um cabo flexível ou em uma seção rígida com um reforço:

• Indutores SMD para ruído de modo comum
• Módulos de filtro de ordem superior
• Filtros RC ou LC construídos a partir de componentes discretos
• Ferrites em linhas de energia DC ou sinais DC

Eu gosto especialmente da opção de módulos de filtro, especialmente para a alimentação fornecida na entrada ou saída de um cabo flexível. Esses módulos podem oferecer filtragem de ordem superior com declive acentuado na faixa de quilohertz, tornando-os muito úteis para remover ruídos da alimentação DC. Um exemplo de um Murata de um projeto de conversor flyback do Altium Designer é mostrado abaixo.

Módulo de filtro Murata (PN: BNX026H01L) que fornece filtragem passa-baixa de ordem superior, principalmente para interconexões de alimentação DC.

Linhas de Transmissão com Planos Hachurados

Devido às aberturas nos planos hachurados, as estruturas não terão eficácia de blindagem extremamente alta contra EMI. Quando os sinais são muito suscetíveis ou suas taxas de transição são tão rápidas que o plano hachurado tem dificuldade em conter o campo eletromagnético, criar uma configuração de linha de transmissão com planos hachurados pode ser uma solução. Coloque um plano hachurado acima e abaixo da camada de sinal para criar a estrutura da linha de transmissão. A melhor maneira de maximizar a eficácia da blindagem é deslocar ligeiramente as estruturas hachuradas de modo que o cobre sólido em um plano hachurado sobreponha as aberturas hachuradas no outro plano.

Em algum momento, sinais com taxas de transição abaixo de um nanosegundo tornam-se tão rápidos que a estrutura de hachura falhará em manter a integridade do sinal e permitirá a entrada de demasiada EMI irradiada. Neste ponto, um cabo será a melhor opção. Essas interconexões tendem a ser diferenciais, o que é útil para conter ruídos. Os fornecedores de conectores oferecem várias opções que proporcionam propagação de sinal diferencial de alta largura de banda com correspondência de impedância nas superfícies de acoplamento dos conectores. Verifique a especificação da taxa de dados nos conectores de acoplamento para garantir que eles suportarão suas necessidades de integridade de sinal e EMC.

Os cabos de alta velocidade Samtec AcceleRate^® são necessários uma vez que as taxas de dados e os requisitos de largura de banda do canal se tornam muito grandes.

Em conclusão, cabos flexíveis podem operar com o mesmo desempenho que cabos com fios do ponto de vista da EMI, desde que os sinais não sejam muito rápidos. Isso também requer um design de pinagem apropriado para garantir conectividade consistente do condutor de referência em todas as superfícies de acoplamento e ao longo do cabo flexível. Filtros também podem ser úteis para fontes específicas de ruído, energia DC e alguns sinais que também podem carregar ruído modo comum.

Sinais de alta velocidade de terminação única com requisitos de controle de impedância podem não ser a melhor opção para uso em cabos flexíveis. No entanto, pares diferenciais podem ser úteis graças às suas emissões radiadas mais baixas, mesmo quando o terra é escasso, como no caso de um plano de terra tracejado. Neste caso, pares diferenciais podem requerer um espaçamento mais próximo do que normalmente seria usado em uma PCB rígida, pois isso reduzirá as variações de impedância sobre o terra tracejado.

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