Influencia del diseño de PCB en el rendimiento EMC de productos electrónicos

Tierra en PCB

• Influencia de la interferencia de modo común en la señal interna de la PCB

Las líneas impresas internas de la placa de circuito impreso (PCB) presentan parámetros parásitos en relación con la placa de referencia de tierra y, cuando se transmiten señales de funcionamiento dentro de la PCB, el mismo nodo equipotencial en la misma red del circuito deja de ser equipotencial. La corrienteyodentro de la PCB comienza desde el extremo de la fuente, pasa por una serie de portadores y regresa a la fuente de la señal, formando una señal. Además,yotiende a fluir a lo largo del camino con baja impedancia de modo queyogeneralmente se mantiene invariable con la estabilidad de la impedancia.

La Figura 1 indica el proceso cuando la interferencia en modo común se transforma en interferencia en modo diferencial dentro de la PCB. yo_dse refiere a la corriente en modo diferencial que fluye dentro de la PCB mientrasyo_comse refiere a la corriente de modo común que ya sea comienza desde fuera de la PCB y fluye hacia la PCB a través de la placa de tierra de referencia o comienza desde el interior de la PCB y regresa al interior de la PCB a través de la placa de tierra de referencia. Alta frecuenciayo_comtiene dos caminos: el primero es desde el puntoAseñalarBdentro de la PCB comenzando desde GND; el segundo es desde el puntoAseñalarBa partir del puerto S₁al PCB interno mediante la capacitancia C. Impedancia de tierraZ_ABconduce a la generación de Δu_AB, por lo que cuando la señal normal se aplica al CI₂, se producirá una deformación para indicar y la interferencia en modo común se transformará en interferencia en modo diferencial, lo que produce influencia en la señal normal basándose en la fórmula que esu₂=u₁-Δu_AB.

Por lo tanto, tan pronto comoyo_comentra en el interior de la PCB a través del puerto de E/S o por radiación espacial, la capacitancia del filtro en modo diferencial en las líneas de señal de la PCB solo puede desviar la interferencia hacia GND. El requisito previo de este resultado es que GND se considere de baja impedancia para el retorno de la señal y que la corriente siempre fluya hacia la dirección de menor impedancia.

• Clave de la implementación del diseño EMC: impedancia de tierra en PCB

La razón de la generación de EMC por señales de alta frecuencia radica en que el nivel de referencia de la señal GND no logra mantener su característica de baja impedancia. Con el aumento de la impedanciaZ_GNDdel nivel de referencia, la calidad de la transmisión de la señal también disminuye. Para resolver el problema de la interferencia de alta frecuencia, se utilizan métodos comunes enDiseño EMCcomo filtro, tierra y blindaje que están estrechamente conectados a "tierra".

El filtro puede considerarse como un condensador a tierra, con dos estructuras: una consiste en conectar el condensador X a la tierra de referencia de la señal y la otra consiste en conectar la señal a la carcasa metálica mediante un condensador Y o mediante una conexión de tierra diferente dentro de la PCB. La pantalla puede considerarse como el resultado de la expansión de la tierra de la PCB hacia el espacio. El propósito del filtro o de la pantalla es hacer que la interferencia de modo común de alta frecuencia pase por el bypass con baja impedancia para evitar que fluya hacia la señal de funcionamiento normal. De manera similar, ninguno de estos métodos funcionará a menos que la tierra tenga baja impedancia.

La Figura 2 indica el efecto de la impedancia de tierra en el filtro del circuito. yo_comfluye según la secuencia de IC₁→CI₂→CI₁y cuando fluye hasta el puntoP,yo_comfluirá hacia los circuitos derivados del CI₁yC₁a través del cual fluye desde el puntoAaB. Si la impedancia entre el puntoAyBes decirZ_AB, es mucho menor que la impedancia entre el puntoPy CI₁. En este momento,yo_comfluye desde el puntoPaA, CI₁se puede realizar el filtro. Cuandoyo_comflujos hacia el puntoB, se producirán circuitos derivados que sonB→CyB→P. Si el diseño de la PCB no está bien controlado, la impedancia entre el puntoByCes decirZ_BC,Z_BC>>Z_C2+Z_Q.Z_Pse refiere a la impedancia entre el puntoPy CI₂.yo_comfluye hacia atrás al CI₂puerto de entrada a través deC₂cuando la capacitancia que originalmente se utilizaba únicamente para CI₂desempeña un papel en la interferencia de invasión de señales.

Para lograr un nivel de referencia con baja impedancia, por lo general se diseña como una superficie. En términos generales, un conductor cuya relación longitud‑anchura sea inferior a 5 puede considerarse de baja impedancia en el campo de la ingeniería. La impedancia de las líneas impresas no está determinada por su grado de longitud o grosor. En el enfoque tradicionalPrincipios de diseño de PCBse recomienda enormemente la conexión a tierra de un solo punto en circuitos analógicos, de modo quePrincipio de diseño de PCBla conexión a tierra en múltiples puntos de los circuitos digitales y la conexión a tierra mixta de los módulos de circuitos digitales ya no son soluciones viables para abordar los problemas de EMC.

Dado que todos los retornos de todas las señales deben garantizar una masa integrada con baja impedancia, las placas de 4 capas o multicapa con plano de masa integrado pueden cumplir este requisito, mientras que las placas simples de bajo costo no pueden. Cuando, debido a limitaciones de costo, deba utilizarse una placa de doble cara, se debe diseñar un plano de masa relativamente integrado para las señales dentro de la PCB. En la aplicación práctica, la impedancia de masa de la PCB está influenciada tanto por su forma como por los orificios de paso de los conductores de señal, las grietas y los ranurados. Las Figuras 3a y 3b muestran respectivamente un diseño deficiente y uno excelente de plano de masa de baja impedancia.

En esta figura, todos los componentes están en el lado frontal de la PCB, mientras que el plano de tierra está en la parte posterior. Los chips están conectados mediante pistas impresas.aben la parte delantera ycdse imprimen líneas en la parte posterior. Bajo la presión de la interferencia de modo común de alta frecuencia del exterior, el ranurado formado porcdconducirá al aumento deZ_GNDdel reflujo de líneas impresas.Z_GNDfluctúa en el proceso de transmisión de la señal, lo que conduce a una baja calidad de la señal. Por lo tanto, capas de líneas impresas entrecdpuede intercambiarse una y otra vez a través de orificios en el proceso de diseño de distribución de PCB de modo queZ_GNDserá disminuido. Además, dos CI_Scon señales sensibles se pueden disponer juntas de manera que GND se convierta localmente en un plano de tierra relativamente integrado para garantizar que la señal no sea interferida en el proceso de transmisión de la señal. Preste atención a que los orificios pasantes no pueden disponerse con demasiada densidad, de lo contrario también se producirá una rotura en el plano de tierra, lo que conducirá a la escalada deZ_GND.

Diseño de apilado de PCB

El diseño EMC es mejor para PCB de 4 capas. Desde la perspectiva de EMS, tanto la carcasa metálica como el blindaje metálico de los circuitos localmente sensibles son capaces de resolver problemas de interferencia. Desde la perspectiva de EMI, a veces las placas de 4 capas no cumplen el requisito de limitación de emisión de radiación y se debe aumentar el número de capas, ya que las placas multicapa pueden hacer que las señales con alta d_u/d_ty d_yo/d_tgarantizar un área de bucle de señal más pequeña durante el proceso de transmisión, proporcionando un retorno de corriente con baja impedancia para las señales de alta velocidad.

El principio básico deDiseño de apilado de PCBes disponer la capa de señal de alta velocidad y el plano de alimentación adyacentes al plano de tierra. La Figura 4 muestra el diseño de apilamiento de placas de 4 y 6 capas. S₁en la Figura 4a se hace referencia a la capa de señal de alta velocidad, mientras que las Figuras 4b, 4c y 4d son tres diseños ordinarios de PCB de 6 capas.

Entre los 3 diseños de PCB de 6 capas, diseñarbes lo peor y S₂La capa debe ser una capa de señal de alta velocidad. S₂capa en diseñocydes una capa de señal de alta velocidad. Diseñoces el mejor porque cada capa de señal está estrechamente adyacente al plano de tierra para garantizar la ruta de retorno de señal más corta y S₂y las capas P están protegidas por GND₁y GND₂. En comparación con el diseñoc, S₃en diseñodestá lejos de la capa GND y P solo puede lograr el efecto de un solo lado en lugar del efecto de doble lado causado por el diseñoc.

Antena equivalente en PCB

La función fundamental de una antena es radiar y recibir ondas de radio inalámbricas. En el proceso de radiación, la corriente de alta frecuencia puede transformarse en onda electromagnética; en el proceso de recepción, la onda electromagnética se transforma en corriente de alta frecuencia. La radiación en el campo EMC se refiere principalmente a la radiación de campo lejano. La formación de una antena depende de dos condiciones básicas: la fuente de señal de RF y cierta longitud de conductores conectados a la fuente de señal de RF. En el campo de la ingeniería, se considera que aparece el efecto de antena cuando la longitud del conductor cumple con la fórmula que esl=λ/20. Cuandol=(λ/4)n, el efecto antena es el mayor conncomo número natural.

Cuando la señal se transmite dentro de la PCB, el bucle interno tiene el mismo efecto que una antena de lazo. Cuanto mayor sea el área del bucle, mayor será el efecto de antena. Un control estricto de los bucles en la PCB puede detener eficazmente la interferencia en modo diferencial, lo cual es factible en la práctica. Sin embargo, aumentar la longitud de las pistas impresas provocará un efecto evidente de antena de varilla, por lo que la longitud de las señales de interconexión debe reducirse tanto como sea posible durante el proceso de diseño de la PCB.

Cuando relativamente altoZ_GNDtiene lugar en la trayectoria de reflujo de alta du/dtseñales transmitidas dentro de la PCB, fuente de controlador de modo comúnu_comtendrá lugar conyo_comfluyendo más alláZ_GND, junto con líneas impresas conectadas o terminales de E/S, que pueden irradiar hacia el exterior.

Si las PCB son relativamente pequeñas en tamaño, las pistas internas no pueden cumplir con los requisitos de radiación de la antena debido a la limitación de longitud. En esta condición, el cable de E/S puede considerarse como la extensión de las pistas impresas y así se pueden cumplir los requisitos de radiación. Incluso si no existe una conexión directa a una E/S estable, se debe evitar el acoplamiento por diafonía entre los cables de E/S.

Diafonía dentro de la PCB y sus soluciones

• Acoplamiento entre las líneas impresas de la PCB y la tierra de referencia

Dado que la EMC trata principalmente de señales de modo común de alta frecuencia, los parámetros distribuidos no pueden evitarse ni dentro ni fuera de la PCB. Se produce un acoplamiento capacitivo entre la PCB y la tierra de referencia, cuya capacitancia distribuida está compuesta por la capacitancia de placas y la capacitancia natural dentro del espacio más pequeño. La capacitancia de placas es directamente proporcional al tamaño de la PCB e inversamente proporcional a la distancia entre la PCB y la tierra. La capacitancia natural dentro del espacio más pequeño es directamente proporcional al diámetro equivalente de las pistas impresas dentro de la PCB. Por lo tanto, sin importar dónde se coloque la PCB, incluso muy lejos de la tierra en el infinito, siempre existe capacitancia distribuida entre las pistas internas y la tierra. En una PCB, la capacitancia distribuida de un plano de GND relativamente integrado hacia la placa de tierra de referencia es de aproximadamente 10 pF, y la capacitancia distribuida de las pistas internas hacia la placa de tierra de referencia está aproximadamente en el rango de 0,001 pF a 0,1 pF o menos. La capacitancia distribuida de las pistas situadas en el centro de la PCB es mucho menor que la de las pistas situadas en el borde de la PCB.

• Acoplamiento dentro de la PCB

a. Teoría del acoplamiento dentro de la PCB y su influencia en la señal

El acoplamiento dentro de la PCB consiste en acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo, cuya teoría se muestra en la Figura 5.

En esta figura, ambosAByCDson líneas impresas paralelas con un pequeño espacio entre dos líneas. Z₀se refiere al portador de la línea de señal 1 mientras que Z₁y Z₂se refieren respectivamente a los portadores de la línea de señal 2. En la Figura 5a, cuando el voltaje pico de la señal en la línea impresaABesu, el tiempo de subida de la señal es Δt, y la frecuencia angular es ω, el voltaje de Z₂serás tú_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Aunque_ctiene un valor muy bajo, el valor de Δu/dtpuede ser muy alta y su producto no puede evitarse. En la Figura 5b, cuando la corriente pico de la señal enABsoy yo_c, el tiempo de subida de la señal es Δty la frecuencia angular es ω, la inductancia mutuampasará entre 2 líneas impresasCDen la que la tensión inducida es u_v=mωi_c. Aunque el valor demes tan pequeño que la frecuencia de la señal puede aumentarse. Por lo tanto, su producto no puede evitarse.

Como resultado, tanto el acoplamiento capacitivo como el acoplamiento inductivo están relacionados con el parámetro distribuido de dos líneas impresascom. Durante el diseño de PCB, los valores decympuede reducirse aumentando la distancia entre las líneas paralelas. En un circuito práctico, el acoplamiento capacitivo representa la mayor parte del circuito digital y cuandoPlano de PCBno es uniforme ni existen ranuras ni grietas, el diafonía inductiva tendrá más influencia que la diafonía capacitiva. Sin embargo, cuando el área de la PCB es limitada, la diafonía no puede tratarse únicamente aumentando la distancia entre las líneas paralelas. Para mantener los parámetros distribuidos mínimos entre dos líneas paralelas adyacentes, se debe disponer un diseño de plano integrado en el área proyectada y es mejor contar con capas de tierra en la parte superior e inferior.

b. Influencia del cable de tierra de la pantalla para reducir la diafonía

El grado de diafonía está determinado por muchos elementos, como la frecuencia de la señal, el tiempo de subida de la señal, la distancia entre las líneas de señal, el puerto de accionamiento y las características eléctricas del puerto de recepción, así como el número de capas de la PCB. La diafonía puede reducirse colocando un plano de tierra integrado bajo las pistas impresas y añadiendo un cable de tierra de blindaje entre las señales.

En el proceso de diseño de PCB, dos aspectos pueden ser beneficiosos para detener la diafonía. En primer lugar, se deben aislar los circuitos internos sensibles y los circuitos externos. En segundo lugar, se debe evitar la diafonía entre el circuito interno o el circuito de ruido y otras señales. En el diseño práctico de PCB, se deben realizar pruebas detalladas en la misma capa o entre diferentes capas de la PCB para detectar si existe riesgo de diafonía o no.

Durante el procedimiento de diseño de PCB, algunas líneas de señal con el mismo atributo deben seguir un enrutamiento con el mismo tiempo y la misma dirección, manteniendo la densidad. Si la limitación del espacio en la PCB provoca que los componentes de filtrado no puedan colocarse en la misma línea, tiende a producirse diafonía entre las señales. Esta situación se muestra en la Figura 6 a continuación.

c. Influencia del cable de tierra de la pantalla en el efecto de borde

Cuando las líneas de señal altamente sensibles o las líneas de señal con alta du/dt, dyo/dtse disponen a lo largo del borde de la PCB, sufrirán más riesgo de EMC que aquellas dispuestas en el centro de la PCB. Es más fácil que las líneas de señal del borde reciban interferencias de alta frecuencia o radiación externa debido a una mayor capacitancia parasitaria.

Bajo la limitación del área de la PCB, es extremadamente difícil diseñar el trazado de la PCB de acuerdo con los principios 20H en el archivo de diseño. Se puede utilizar el “packet” para reducir la interferencia y la radiación externa. Las líneas de “packet” no necesitan cumplir requisitos específicos como el grosor y la forma. Normalmente, cuando una línea de señal está demasiado cerca del borde de la PCB para recubrirse con cobre, se puede añadir una línea de tierra en el rango de 7 a 10 mils como blindaje.

d. Interferencia mutua entre circuitos digitales y analógicos

Cuando una PCB contiene circuitos digitales de alta velocidad y señales analógicas de bajo nivel, normalmente se genera diafonía en las señales analógicas debido al ruido digital bajo un mal diseño de PCB. La interferencia mutua entre los circuitos digitales y analógicos se debe a las siguientes razones. En primer lugar, el ruido de diafonía es causado por la capacitancia parasitaria y la inductancia parasitaria. En segundo lugar, el mal desacoplo del rizado de la alimentación y de la alimentación del chip digital provocará ruido de alimentación. En tercer lugar, la impedancia de tierra y la disposición de la tierra del sistema causan ruido. El problema del ruido debe abordarse en el orden de alimentación, señal y tierra.

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