Diretrizes de EMI/EMC para PCBs: Atendendo aos Padrões de EMI/EMC em Seus Projetos

E se você colocasse dois celulares um ao lado do outro e de repente nenhum deles funcionasse corretamente? Felizmente, isso não acontece porque os designers e fabricantes fizeram esforços sérios para garantir que esses dispositivos estejam em conformidade com os padrões EMC sobre EMI conduzida e irradiada. Qualquer dispositivo deve estar em conformidade com os padrões EMC antes de chegar ao mercado.

Embora isso pareça complicado, você tem uma série de estratégias de design simples para ajudar seu próximo dispositivo a passar nos testes de EMC. Familiarizar-se com as diversas organizações de padrões EMC e suas especificações é um bom ponto de partida.

Padrões EMC/EMI para Design de PCB

Os padrões EMC se dividem em duas categorias amplas: padrões regulatórios e padrões da indústria. Os padrões regulatórios para o seu design dependem de onde você deseja comercializar e vender seu produto (não necessariamente onde ele é projetado ou fabricado). Alguns dos primeiros padrões EMC foram estabelecidos pela Comissão Federal de Comunicações dos EUA em 1979. A Comunidade Europeia mais tarde definiu seus próprios padrões EMC, que formaram a base para os futuros padrões da União Europeia, agora conhecidos como a Diretiva EMC - oficialmente nomeada Diretiva de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) 2014/30/EU do Parlamento Europeu (você pode visualizar o padrão europeu aqui).

A conformidade com os padrões da indústria não é apenas uma questão legal, mas também uma questão específica da indústria para garantir uniformidade e interoperabilidade entre equipamentos eletrônicos implantados em ambientes específicos e áreas de aplicação. Efetivamente, os padrões EMC da indústria desempenham o mesmo papel que outros padrões da indústria sobre fabricação, montagem, desempenho, etc. As principais organizações de padrões da indústria e órgãos reguladores que definem os requisitos EMC incluem:

• Comissão Federal de Comunicações dos EUA (FCC)
• Administração Federal de Aviação dos EUA (FAA)
• Laboratórios de Garantia (UL)
• Comissão Técnica Americana de Rádio para Aeronáutica (RTCA)
• Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), através do Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)
• Organização Internacional para Padronização (ISO)
• Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE)
• Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE)
• O exército dos EUA através do seu conjunto de padrões MIL-STD

Enquanto os padrões IEC e CISPR são mais populares na Europa, os padrões IEEE são mais populares nos EUA. Em particular, os padrões IEEE formam a base para testes de calibração de antenas. Os requisitos EMC MIL-STD estão entre os padrões mais rigorosos em todo o mundo e foram alguns dos padrões originais sendo adaptados para o setor comercial para dispositivos eletrônicos.

Requisitos Gerais para Cumprimento dos Padrões EMC

Empresas que lançam dispositivos ou produtos não conformes podem receber um aviso ou ser multadas em somas substanciais de dinheiro. A falha em atender aos requisitos de EMC também representa uma preocupação com a segurança e danifica a reputação de uma empresa. Projetar com foco na EMC pode ajudar a garantir que você não receberá penalidades civis uma vez que seu dispositivo saia da linha de fabricação. Os designers tomam medidas para cumprir com os padrões de EMC considerando a EMI sob duas perspectivas:

• Projetando para imunidade a EMI: Projetar um dispositivo para resistir a EMI indesejada de dispositivos próximos. Isso geralmente começa com a estratégia certa de empilhamento e roteamento.

• Suprimindo EMI irradiada: Projetar um dispositivo para minimizar a radiação que emite. O empilhamento de camadas, estratégia de aterramento, colocação de componentes e possivelmente blindagem desempenham um papel aqui.

• Suprimindo EMI conduzida: A EMI conduzida assume várias formas, como ruído de modo comum acoplado ou de modo diferencial, ruído de comutação de reguladores SMPS ou harmônicos recebidos da rede.

• Transientes rápidos ou flutuações de energia: Esses tipos de ruído aparecem como séries de pulsos injetados, breves quedas de tensão, quedas periódicas ou picos de energia. O design deve impedir que estes apareçam como ruído em uma saída ou carga. Esses requisitos são aplicáveis em designs com cabos curtos ou entradas AC, respectivamente.

• Supressão de surtos e ESD: Geralmente focamos no ruído ao discutir EMI/EMC, mas resistir a surtos e ESD também são aspectos importantes do projeto para cumprir com os padrões de EMC.

Medição de EMC radiada com uma sonda de campo próximo

Algumas Estratégias para Aumentar Suas Chances de Passar nos Testes de Padrões de EMC

Existem algumas práticas de design básicas que todo projetista deve usar para garantir que suas placas passem até mesmo nas verificações EMC básicas.

Empilhamento, Alimentação e Aterramento

Uma estratégia de conformidade com EMC começa com o seu empilhamento de camadas. Projetar sua placa com um sistema de aterramento de baixa indutância tem o maior efeito de minimizar a suscetibilidade a EMI. Com placas de múltiplas camadas, você deve colocar um plano de terra diretamente abaixo das camadas de sinal para minimizar a indutância de loop.

Interferência em sinais de baixo nível leva a razões de sinal-ruído mais baixas. Portanto, é uma boa ideia rotear esses sinais em uma camada interna. Se você tiver camadas suficientes em seu empilhamento, coloque essas trilhas entre dois planos de terra, e então coloque seu plano de alimentação abaixo do plano de terra mais inferior. Colocar o plano de alimentação próximo ao plano de terra proporciona uma forte acoplamento capacitivo. Qualquer ruído ou EMI conduzido no plano de alimentação facilmente sangrará para o plano de terra próximo, em vez de interferir com os sinais.

Tenha cuidado ao rotear sinais de uma camada interna para uma camada superficial, pois você precisará manter um acoplamento apertado. Você pode manter o acoplamento com um plano de referência colocando uma via paralela próxima entre o plano de terra e a camada superficial. Outros problemas de EMC, como roteamento e posicionamento de relógios, podem ser problemáticos e criar ruído excessivo, especialmente ao mudar de planos de referência em uma PCB multicamadas. Se possível, tente não usar protocolos que requerem um oscilador de referência externo e, em vez disso, use protocolos que tenham um relógio embutido. Alguns protocolos, como DDR, usam um par diferencial síncrono de fonte para o relógio, o que terá EMI radiada menor do que uma conexão de relógio de extremidade única (veja abaixo a respeito de pares diferenciais).

Incorporando Blindagem

O uso criterioso de blindagem é outra estratégia para fornecer imunidade à sua placa contra EMI radiada. Isso também suprime a EMI radiada para longe da sua placa. Se você estiver trabalhando com um dispositivo sem fio, pode simplesmente colocar a antena fora da blindagem para que ela ainda possa enviar e receber sinais.

A solução mais simples é simplesmente usar blindagem aterrada, que formará uma gaiola de Faraday ao redor de componentes e trilhas sensíveis. Nem todos os designs e componentes acomodarão essa solução. Portanto, você pode precisar de um método de blindagem mais elaborado. Se você usar um plano de terra uniforme no interior da sua placa (você deveria fazer isso de qualquer maneira), uma cerca de vias aterradas ao redor da borda da sua placa e costura de vias em regiões de cobre derramado fornecerão proteção semelhante.

Blindagem pode para suprimir EMI irradiada

As latas de blindagem são provavelmente a forma mais comum de blindagem em que todos pensam, não é o único tipo possível de blindagem que pode ser usado para combater a EMI. Outros materiais de blindagem únicos que podem fornecer supressão de EMI de banda larga incluem:

• Espumas condutivas ou materiais de junta elastomérica que absorvem emissões RF
• Materiais de malha metálica que podem ser montados no invólucro
• Fitas metálicas que podem ser usadas para superfícies de acoplamento ou alguns locais na placa
• Revestimentos conformais com absorção em uma faixa de frequência problemática
• Ferrites que podem ser fixados diretamente no invólucro ou em conjuntos de cabos

Esses outros tipos de blindagem podem ser implementados na placa ou no invólucro quando outras soluções usadas na PCB falham. Pessoalmente, eu só recomendaria o uso de latas de blindagem e alguns desses outros materiais apenas após a implementação do conjunto completo de soluções no nível da placa.

Layout e Roteamento de Sinais Mistos

Alguns dispositivos podem precisar manipular dados digitais e suportar sinalização analógica, tornando-os dispositivos de sinal misto por natureza. É uma boa ideia tentar separar as seções digitais, analógicas de baixa frequência e analógicas de RF da placa em diferentes regiões do layout da PCB. É sempre bom garantir que essas seções tenham suas próprias áreas dedicadas na camada de terra, mas a camada de terra deve ser mantida contínua. Isso significa que o desafio aqui é acompanhar o caminho de retorno ao redor da placa. O objetivo é duplo: prevenir interferência entre diferentes seções da placa enquanto também se garante que os sinais não tenham grandes indutâncias de loop ao serem roteados sobre a terra na camada adjacente. Para aprender mais sobre estratégias de aterramento de sinal misto, leia este artigo.

Capacitores de Desacoplamento/Bypass no Barramento de Alimentação

Por último, mas não menos importante, entenda que o ruído no barramento de potência cria EMI, que pode ser irradiado a partir da borda da placa. Isso requer um design de empilhamento adequado, colocação de capacitores de desacoplamento/bypass e colocação de pares de plano de referência/potência. A redução do ruído no barramento de potência em sistemas digitais avançados com muitas I/Os é tanto um problema de integridade de potência quanto um problema de EMI/EMC, então foque em entender os fundamentos da integridade de potência para lidar com esses problemas.

Projetar de acordo com os padrões de EMI/EMC para design de PCB requer as ferramentas de layout certas para implementar soluções no nível da placa. Altium Designer^® fornece tudo o que você precisa para criar um layout compatível ou realizar retrabalhos conforme necessário. 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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