Dominando o Controle de EMI em Design de PCB: Como Projetar PCBs para Baixa EMI

Bem-vindo ao quarto artigo da nossa série sobre Dominando o Controle de EMI no Design de PCB. Nesta edição, exploraremos aspectos avançados do gerenciamento de Interferência Eletromagnética (EMI) que são cruciais para um design eficaz de PCB.

Ao projetar placas de circuito impresso (PCBs), um desafio chave é garantir que seu design possa passar nos testes de emissões radiadas e conduzidas. Isso é vital para atender aos padrões regulatórios e garantir que seu PCB funcione adequadamente em seu ambiente pretendido, sem causar interferências a outros dispositivos e sistemas.

É igualmente importante alcançar imunidade contra emissões externas e internas, o que ajuda a garantir a confiabilidade e o desempenho do seu produto final.

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

Ao projetar para Interferência Eletromagnética (EMI), é importante entender que as emissões são principalmente causadas por mudanças de corrente em nossos circuitos, em vez de por tensão. Isso significa que todos os circuitos inevitavelmente emitirão algum nível de radiação eletromagnética devido às mudanças de corrente inerentes a eles. O grande desafio para os projetistas é gerenciar e controlar a extensão dessa radiação.

Para alcançar uma melhor Compatibilidade Eletromagnética (EMC), precisamos focar em projetar placas de circuito impresso que contenham e minimizem efetivamente essas emissões eletromagnéticas.

Isso envolve abordar dois principais tipos de emissões:

• Emissões de Correntes em Modo Diferencial;
• Emissões de Correntes em Modo Comum.

Figura 2 - Correntes em Modo Diferencial vs Modo Comum em um circuito (caminho de retorno da corrente em modo comum não mostrado). Ref: Dario Fresu

A maneira mais simples de entender essas correntes é pensar nas correntes em modo diferencial como fluindo em "direções opostas" por caminhos diferentes, enquanto as correntes em modo comum fluem na mesma direção "comum" ao longo dos caminhos do circuito.

Como Minimizar Emissões de Correntes em Modo Diferencial

As correntes em modo diferencial são essenciais para a operação normal de um circuito. Essas correntes fluem entre circuitos integrados (CIs) e componentes, e fazem parte do design do circuito na PCB.

Elas se movem em laços definidos pelo layout do circuito, e o tamanho desses laços afeta o nível de emissões produzidas. Quanto maior o laço (ou seja, maior a área), maiores as emissões. Além disso, frequências mais altas resultam em emissões aumentadas.

Para reduzir essas emissões, temos algumas estratégias:

1. Reduzindo a quantidade de corrente que passa pelas trilhas
2. Diminuindo a frequência das correntes
3. Minimizando a área dos laços de corrente

Reduzir a corrente e a frequência (opções 1 e 2) muitas vezes é impraticável porque podem impactar significativamente a eficiência do circuito. A abordagem mais prática, que os projetistas de PCB podem controlar mais diretamente, é minimizar a área envolvida por esses laços de corrente.

Figura 3 - Exemplo de um laço de corrente em um PCB com Altium Designer®

Um método altamente eficaz é usar um plano de referência de retorno próximo às trilhas de sinal na pilha de camadas. Ao fazer isso, a área envolvida pela corrente de ida e volta torna-se muito pequena, minimizando as emissões. Isso, juntamente com manter as trilhas de sinal o mais curtas possível, resultará no melhor desfecho em termos de redução de emissões de correntes em modo diferencial.

Claro, a colocação de componentes, a redução do crosstalk de sinal e o gerenciamento de outros mecanismos de acoplamento que podem transferir ruído para cabos próximos também são importantes para reduzir emissões. No entanto, esses fatores são secundários à técnica principal de minimizar a área dos laços de corrente.

Esta técnica tem um impacto mais direto e significativo na redução de emissões porque aborda a causa raiz das emissões de correntes em modo diferencial.

Como Minimizar Emissões de Correntes de Modo Comum

Outro tipo importante de corrente, do qual os projetistas precisam estar cientes, é a corrente de modo comum. Diferentemente das correntes de modo diferencial, que são intencionalmente projetadas no circuito, as correntes de modo comum não são explicitamente contabilizadas nos esquemáticos. Essas correntes não são necessárias para a operação do circuito e surgem principalmente de parasitas dentro do projeto.

Identificar e controlar essas correntes parasitas pode ser bastante desafiador porque suas fontes nem sempre são óbvias. As correntes de modo comum são tipicamente geradas quando correntes de modo diferencial fluem através de elementos parasitas no circuito.

Figura 4 - Lacunas nos planos de retorno são frequentemente uma causa de radiação de modo comum (Altium Designer®)

Esses parasitas são encontrados especialmente nos condutores de referência de retorno, comumente conhecidos como condutores “Terra” ou “Terra de Sinal”. O problema com parasitas nos condutores de referência de retorno surge principalmente porque, na realidade, componentes e condutores não são perfeitos e estão longe de ser ideais.

Por exemplo, trilhas de cobre em um circuito não apenas têm resistência, mas também exibem indutância e capacitância. Essas propriedades parasitas tornam-se cada vez mais significativas à medida que as frequências dos sinais aumentam.

Ao contrário das emissões em modo diferencial, que são principalmente afetadas pelo tamanho do laço de corrente, as correntes em modo comum são principalmente influenciadas pelos comprimentos dos condutores e pela frequência do ruído. No entanto, o impacto do comprimento do condutor torna-se menos significativo além de um certo ponto, o qual não exploraremos mais aqui neste artigo.

Para cabos eletricamente curtos, as emissões de corrente em modo comum podem ser modeladas como transmissão de antena dipolo (ou monopolo), em vez de transmissão de antena de laço. Essa mudança na modelagem afeta como as emissões são produzidas e controladas.

Para reduzir efetivamente as emissões de correntes em modo comum na fonte, devemos considerar as seguintes estratégias:

• Reduzir a quantidade de corrente em modo comum;
• Diminuir a frequência da corrente em modo comum;
• Minimizar o comprimento dos condutores que contribuem para as emissões em modo comum.

Uma estratégia chave é focar na redução do comprimento dos traços de sinal. Embora nem sempre seja possível encurtar todos os condutores devido a restrições do sistema, os projetistas devem se esforçar para minimizar os comprimentos dos traços sempre que possível. Esse esforço ajuda a mitigar as emissões da PCB, especialmente à medida que as frequências dos sinais continuam a aumentar.

Usar uma camada sólida de cobre como plano de retorno e referência é outra técnica eficaz. Este método reduz a indutância pela qual a corrente de retorno deve passar, diminuindo assim a fonte de tensão de modo comum que impulsiona essas emissões.

Ao fornecer um caminho de baixa impedância para as correntes de retorno, uma camada sólida de cobre (sem divisões ou cortes) ajuda a manter a integridade do sinal e a reduzir a EMI.

Como Minimizar Emissões Usando Vias de Costura

Outra técnica recomendada para reduzir emissões de modo comum em empilhamentos multicamadas com múltiplos planos de referência de retorno é o uso de vias de costura entre esses planos. Vias de costura conectam as diferentes camadas de referência de retorno, garantindo que permaneçam no mesmo potencial elétrico. Essa conexão ajuda a reduzir as fontes de tensão de modo comum que impulsionam emissões em modo de antena dipolo (ou monopolo), o que pode diminuir significativamente o ruído indesejado e a EMI.

Figura 5 - Exemplo de vias de costura no Altium Designer®

Além de reduzir emissões de modo comum, as vias de costura são vitais para fornecer um caminho de retorno de corrente confiável e um potencial de referência para sinais que transitam entre camadas no empilhamento. Isso impede que emissões ocorram entre os planos, o que poderia interferir não apenas com a EMI, mas também com a integridade do sinal e o desempenho geral da PCB.

Conclusões

Ao projetar placas de circuito impresso (PCBs) com um controle eficaz de Interferência Eletromagnética (EMI) em mente, ter as ferramentas certas é essencial. Softwares avançados de design de PCB permitem que você gerencie vários parâmetros de design e garante que suas placas sejam criadas com excepcional precisão e eficiência. Essas ferramentas são cruciais para lidar com requisitos de design complexos e confirmar que suas estratégias de mitigação de EMI são corretamente aplicadas, levando a PCBs mais confiáveis e de alto desempenho.

Altium Designer® se destaca como uma ferramenta exemplar neste domínio, oferecendo integração perfeita ao seu fluxo de trabalho de design. Ele fornece a flexibilidade e capacidades avançadas necessárias para aproveitar totalmente sua expertise e paixão pelo design de PCBs, facilitando a implementação de estratégias eficazes de controle de EMI.

Para continuar refinando seus designs de PCBs, estar informado é a chave. No nosso próximo artigo, cobriremos estratégias de desacoplamento para Redes de Distribuição de Energia (PDN), fornecendo ainda mais insights para melhorar suas práticas de design.

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