Las nuevas generaciones de tecnologías electrónicas conducen a una velocidad de borde cada vez más alta de los componentes. La mejora de la velocidad de funcionamiento del circuito provoca requisitos cada vez más exigentes en el diseño de PCB. La calidad del diseño de PCB incluso determina el rendimiento de funcionamiento de los componentes y de todo el circuito. Especialmente cuando se consideran el costo, el área de la PCB y la funcionalidad del circuito integral, las fuentes de generación de EMI (Interferencia Electromagnética) se vuelven cada vez más amplias y su mecanismo más complejo.
Mecanismo EMI y Soluciones
Los elementos principales de la EMI incluyen la fuente de interferencia electromagnética, la ruta de transmisión y el objeto interferido. Una vez especificados los elementos que conducen a la aparición de la EMI, es necesario determinar aquellos elementos que son fáciles de resolver y aquellos que solo pueden solucionarse parcialmente en el proceso de diseño de PCB, de modo que puedan tenerse en cuenta durante el proceso de distribución, ruteo y puesta a tierra.
• Diseño
En términos deDiseño de PCBlas áreas deben dividirse según las diferentes funcionalidades. Las diferentes funcionalidades se distribuyen en distintas áreas, mientras que se debe prestar especial atención a las unidades sensibles en las áreas funcionales.
En general, deben seguirse los siguientes principios para el diseño de PCB:
a.En los circuitos de alta velocidad, es necesario considerar los parámetros de la distribución de pines de los componentes, y la capacidad distribuida de los pines de los componentes es especialmente esencial para las señales de reloj de alta velocidad. Al mismo tiempo, se debe tomar como referencia la inductancia distribuida, ya que posiblemente provocará oscilaciones en las señales, lo que causa fallos en el funcionamiento del circuito. Por lo tanto, en el proceso de diseño del trazado, la distribución debe organizarse con alta densidad, reduciendo la longitud de las conexiones para el enrutamiento posterior y disminuyendo la influencia de las EMI.
b.Si tanto los componentes analógicos como los componentes electrónicos permanecen en un circuito, deben distribuirse de forma independiente en el proceso de diseño. Dado que las señales de los componentes digitales tienen composiciones complejas con múltiples ondas armónicas presentes, se generará una gran influencia sobre las señales analógicas. Por lo tanto, deben considerarse con sumo cuidado.
c.Las unidades de reloj son esenciales en los circuitos de alta velocidad. El mecanismo de funcionamiento de la unidad de reloj es en realidad equivalente a una fuente de ruido, lo que significa que esta unidad oscilará cuando se cumplan ciertas condiciones. Como una fuente importante de interferencia conductiva y de interferencia por radiación, la unidad de reloj no debe colocarse en el borde de la PCB. De lo contrario, las EMI se volverían muy graves. Es necesario colocar las unidades de reloj en el centro de la PCB, lo que puede reducir en gran medida las EMI en los circuitos.
• Enrutamiento
En el proceso deEnrutamiento de PCBEn circunstancias de bajo costo, el plano de tierra puede ampliarse tanto como sea posible para disminuir la influencia de las EMI. Sin embargo, en circunstancias donde el costo debe controlarse estrictamente, es necesario considerar cuidadosamente el número de capas de la PCB y la secuencia de apilado. Además, se deben tener en cuenta los tipos de señales y el ruteo debe realizarse de forma independiente para las señales de alta velocidad y las de baja velocidad. Asimismo, deben considerarse otros elementos, incluyendo la fuente de ruido y cómo reforzar la inhibición del ruido, los problemas de adaptación de impedancia (las señales de alta velocidad sin una adaptación adecuada definitivamente provocarán reflexión de señales y disminuirán la fiabilidad de los circuitos) y la lista de redes.
a. Principios básicos del enrutamiento
Los principios generales que se siguen en el enrutamiento incluyen:
1). Se deben evitar los puntos de ruptura en el ruteo, lo que significa que se deben evitar los ángulos rectos, como se muestra en la Figura 1 a continuación.
Dado que un ángulo recto posiblemente provocará reflexión, el punto de inflexión debe diseñarse de forma suave para evitar este fenómeno. Al mismo tiempo, las señales clave no deben sobrepasar las áreas divididas, o el EMI aumentará de inmediato. El cruce de diferentes áreas de división de potencia es la forma más común de derivación de señales.
2). En el proceso de diseño, se requiere que los componentes analógicos y los componentes digitales estén separados entre sí, lo que significa que sus rutas deben estar divididas. Al mismo tiempo, se debe aumentar el ancho de los cables de tierra y de alimentación, siguiendo la regla general de que el ancho de los cables de tierra sea mayor que el de los cables de alimentación, y este a su vez mayor que el de los cables de señal. Además, se deben tener plenamente en cuenta los principios 3W en el ruteo de las líneas de señal, mientras que para las placas multicapa se debe considerar el principio 20H en las capas internas. La realización de lo anterior es capaz de evitar el 70% de las EMI. En cuanto a los cables analógicos sensibles, se pueden implementar medidas como la puesta a tierra.
3). Para el ruteo de USB2.0 u otras líneas diferenciales de alta velocidad, se debe aplicar ruteo acoplado y garantizar la integridad de la superficie de referencia entre los pares diferenciales. Dado que los pares diferenciales son generalmente señales de alta velocidad, el ruteo no debe disponerse en el borde de la PCB.
b. Bucles
Los bucles nunca pueden evitarse en el diseño de PCB. Los bucles se forman desde las señales que salen hasta las que entran, y cada uno de ellos actúa como una antena en el funcionamiento. Para reducir las EMI en una PCB, tanto el número de bucles como la capacidad de antena de estos deben disminuirse. Esto significa que en el diseño de PCB se debe tener en cuenta la dirección de flujo de cada señal y que el área del bucle debe reducirse para las señales de alta velocidad.
En los circuitos, los bucles más utilizados se encuentran en los bucles de potencia contenidos por el condensador de desacoplo, como se muestra en la Figura 2.
Si el condensador de desacoplo se coloca como en el diagrama de la izquierda de la Figura 2, se generarán bucles de corriente relativamente grandes con un fenómeno EMI evidente. Por el contrario, en el diagrama de la derecha de la Figura 2, en el que el condensador de desacoplo se coloca muy cerca del chip, se genera un bucle de desacoplo extremadamente pequeño cuya función principal es reducir la EMI. Los principios que se deben seguir para reducir los bucles son los siguientes:
1).Solo se garantiza un único camino entre dos puntos en cada línea de señal.
2). El plano de tierra debe aplicarse sin bloqueos, asegurando que no haya interrupciones en los bucles de señal.
c. Cables de tierra de la PCB
1). Se deben aclarar las diferencias entre tierra digital, tierra analógica y tierra de blindaje del sistema en el sistema de puesta a tierra de la PCB. Se aplican perlas magnéticas y condensadores para separar la tierra digital y la tierra analógica, y la tierra digital y la tierra de campo deben estar conectadas directamente.
2).Si es posible, los cables de tierra deben ampliarse en la PCB.
3).Formar circuitos cerrados mediantecables de tierrade modo que se refuerce la capacidad antiinterferencias y se reduzca la diferencia de nivel eléctrico entre los sistemas.
• Diseño de filtros
En PCB de alta velocidad, el procesamiento de filtrado puede implementarse en los cables de alimentación y en los cables de señal. Las medidas habituales incluyen la adición de componentes de filtro magnético, filtros EMI y condensadores de desacoplo.
a. Selección del condensador de desacoplo
1).En un circuito, el condensador de desacoplo ayuda a suavizar la alimentación y a reforzar la capacidad de antiinterferencia. Generalmente, se elige un condensador cerámico como condensador de desacoplo debido a su alta estabilidad, alta precisión, pequeño volumen y bajo ESR (Resistencia Serie Equivalente). En el diseño de circuitos, el valor de la capacidad se elige en el rango de 1 μF a 100 μF, mientras que la capacidad de soportar tensión debe considerarse de acuerdo con los circuitos.
2).El condensador de desacoplo debe colocarse muy cerca de los componentes.
b. Selección de componentes magnéticos
Los componentes magnéticos pueden clasificarse en inductores y perlas magnéticas. Generalmente, el inductor se coloca al final del terminal de alimentación, mientras que las perlas magnéticas se sitúan entre las líneas de señal. En el proceso deselección de componenteses necesario tener en cuenta los parámetros de saturación. Una vez que los componentes magnéticos alcanzan la saturación, se quemarán. Además, es necesario considerar tanto la calidad como los parámetros de DCR de los componentes magnéticos.
Una medida de uso común entre las líneas de señal consiste en la aplicación de perlas magnéticas en las líneas serie para reforzar la capacidad de EMI.
c. Selección del filtro EMI
La zona con interferencia de modo común grave se encuentra en el lugar donde entra la alimentación y salen las líneas de señal. Las medidas habituales para evitar la interferencia de modo común incluyen la adición de un inductor de modo común, un piezorresistor, un circuito LC y un filtro EMI específico. En los circuitos de alta velocidad, el problema de EMI debe considerarse para la transmisión de alta velocidad en interfaces digitales como USB y HDMI.
• Reflexión de la señal
En la transmisión de señales, siempre se espera que la energía en el terminal de origen se transmita al terminal de carga, lo que significa que ZL debe ser igual a ZO. Si no son iguales, parte de la energía será reflejada.
Si el retardo de transmisión de las líneas es relativamente largo, señales más fuertes serán reflejadas de vuelta al terminal de origen. Entonces será necesario realizar un ajuste relativamente grande para la compensación cuando se genere el timbrado, como se muestra en la Figura 5 a continuación.
Cuando se produce el ringing en las señales, las EMI alcanzan el máximo nivel de severidad. Para evitar este fenómeno en el diseño de PCB, siga los principios de la Tabla 1.
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Tiempo de flanco de la señal (ns)
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Longitud de las líneas de señal (pulgadas)
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| 5 |
8,6 |
| 4 |
6.9 |
| 3 |
5.1 |
| 2 |
3.4 |
| 1 |
1.7 |
Prueba EMI
Después del diseño del producto, a pesar de muchas medidas para evitar las EMI, los problemas no se detectarán hasta la realización de las pruebas. Luego, se pueden hacer algunas modificaciones para resolver los problemas.
La prueba EMI incluye el método de prueba, los dispositivos y la posición de prueba. Los métodos de prueba deben llevarse a cabo con referencia a todos los ítems. Si los dispositivos no cumplen la norma, se puede aplicar un espectrómetro para una prueba cualitativa. Si se requiere el valor EMI específico de los dispositivos, es necesario utilizar equipos profesionales. En cuanto a la posición de prueba, lo mejor es realizar la prueba en una cámara oscura.
