EMC, abreviatura de Compatibilidad Electromagnética (Electro-Magnetic Compatibility), se refiere a un estado de coexistencia en el que los dispositivos electrónicos son capaces de desempeñar sus propias funciones en el mismo entorno electromagnético. En pocas palabras, EMC permite que los dispositivos electrónicos funcionen de manera independiente y normal sin interferencias entre ellos; es decir, dichos dispositivos electrónicos pueden ser compatibles entre sí dentro de todo el sistema. Dado que EMC se logra mediante el control de EMI (Interferencia Electromagnética, Electro-Magnetic Interference), se desarrolla junto con una serie de estudios relacionados con EMI, tales como la introducción de EMI, la investigación sobre EMI, las soluciones anti-EMI y la gestión de EMI.
Principios Fundamentales de EMC
Para reducir la interferencia entre señales digitales y señales analógicas, primero debes conocer dos principios fundamentales de EMC.
Principio 1: El área del lazo del circuito debe MINIMIZARSE.
Principio 2: Solo se puede aplicar un ÚNICO plano de referencia en un sistema.
Una vez que el Principio 1 deja de cumplirse y las señales tienen que recorrer un área de bucle grande, se generará una antena de bucle grande. Sin embargo, una vez que el Principio 2 deja de cumplirse y hay disponibles dos planos de referencia, se creará una antena dipolo. Ninguno de estos resultados es el esperado.
Reglas y aplicaciones de particionado de PCB mixtas señal
Se recomienda que la tierra digital y la tierra analógica en la misma placa de señal mixta se separen para lograr aislamiento entre ellas. A pesar de la viabilidad de esta solución, surgirán muchos problemas latentes, que se vuelven especialmente prominentes en sistemas de gran escala. El problema crucial radica en el hecho de que el ruteo no puede establecerse a través de la separación entre la tierra digital y la tierra analógica. Si se establece ruteo a través de la separación, tanto la radiación electromagnética como la diafonía de señal aumentarán drásticamente. El másproblema comúnmente visto en el diseño de PCBradica en la aparición de EMI debido a que las líneas de señal cruzan tierras o alimentaciones divididas.
La Figura 1 a continuación muestra la situación presentada anteriormente.
Basado en este método de separación, las líneas de señal tienen que cruzar la división entre tierra digital y tierra analógica. Entonces, ¿cómo es la trayectoria de retorno del circuito de señal? Supongamos que las dos tierras separadas están conectadas en un solo punto y, en esta situación, se generará un gran lazo en el circuito de tierra. A partir de entonces,circuito de alta frecuenciaque fluya a través de un bucle grande provocará la aparición de un bucle grande con alta capacitancia a tierra y radiación generada. Si un circuito analógico de bajo nivel fluye a través del bucle grande, será fácilmente interferido por señales externas. La peor situación ocurrirá cuando la tierra dividida se conecte con la alimentación, formándose un lazo de circuito extremadamente grande. Además, se formará una antena dipolo cuando la tierra analógica y la tierra digital se conecten juntas mediante un conductor largo. Como resultado, los ingenieros deben conocer la trayectoria y el método del circuito de retorno en sistemas de señal mixtaOptimización del diseño de PCBSin embargo, muchos ingenieros observan la trayectoria de flujo del circuito de señal sin pensar en la trayectoria específica de los circuitos. Si el plano de tierra tiene que dividirse y el trazado debe disponerse a través de la división, primero se puede implementar una conexión de punto único entre las dos tierras divididas formando un puente, de modo que se proporcione una trayectoria de retorno de corriente continua bajo cada línea de señal con un área de bucle pequeña, como se indica en la Figura 2.
La aplicación de dispositivos de aislamiento óptico o transformadores también puede hacer que las señales crucen la separación. En el caso de los dispositivos de aislamiento óptico, son las señales ópticas las que cruzan la separación. En el caso de los transformadores, es el campo magnético el que cruza la separación. Otro método aplicable radica en el uso de señales diferenciales. La señal fluye por una línea mientras regresa por otra línea de señal. En esta condición, no se requiere tierra como camino de retorno.
La partición dividida puede aplicarse en las siguientes tres circunstancias:
Circunstancia 1: Algunos equipos médicos requieren una baja corriente de fuga entre el circuito conectado a los pacientes y el sistema.
Circunstancia 2: La entrada de algunos equipos de control de procesos industriales puede estar conectada a dispositivos electromecánicos con alto nivel de ruido y potencia.
Circunstancia 3:Diseño de PCBadolece de ciertas limitaciones.
En las PCB de señal mixta suelen estar disponibles alimentaciones digitales y analógicas independientes, y se pueden y deben utilizar planos de alimentación divididos. Sin embargo, las líneas de señal que están muy próximas a los planos de alimentación no deben cruzar la separación entre las alimentaciones, y todas las líneas de señal que crucen esta división deben estar próximas a planos conductores de gran área. En algunas situaciones, los problemas de división relacionados con los planos de alimentación pueden evitarse diseñando la alimentación analógica como pistas de conexión en la PCB en lugar de solo como un plano.
Método de diseño del plano de tierra y aplicaciones de PCB de señal mixta
Para analizar la interferencia que dejan las señales digitales sobre las señales analógicas, primero deben comprenderse las características de la corriente de alta frecuencia. La corriente de alta frecuencia siempre depende del camino con mínima impedancia (la inductancia más baja) y se sitúa directamente bajo las señales. Como resultado, la corriente de retorno fluirá a través del plano de circuito circundante, sin importar si este plano es un plano de alimentación o un plano de tierra.
En la operación práctica, se tiende a usar el plano de tierra con la placa de circuito dividida en una sección analógica y una sección digital. Las señales analógicas se colocan dentro de las secciones analógicas de todos los planos, mientras que las señales digitales se ubican dentro del área de circuito digital. En esta situación, la corriente de retorno de la señal digital no fluirá hacia la tierra de las señales analógicas. Siempre que el trazado de señales digitales se realice por encima de la sección analógica o que el trazado de señales analógicas se realice por encima de la sección digital en las PCB, se generará la interferencia producida por las señales digitales sobre las señales analógicas.
La aparición de este tipo de problemas no se debe a la ausencia de tierra dividida, sino a la disposición inadecuada de las señales digitales. En lo que respecta al diseño de PCB, el uso del plano de tierra, la separación entre circuitos digitales y analógicos y una disposición razonable de las señales suelen ayudar a resolver problemas complejos relacionados con el trazado y la partición. Además, se pueden evitar algunos problemas potenciales causados por la tierra dividida. Como resultado, la disposición de los componentes y la partición se convierten en elementos clave que determinan la calidad del diseño de la PCB. Si la disposición y la partición son lo suficientemente adecuadas, la corriente en la tierra digital quedará limitada a la sección digital de la placa de circuito, evitando que las señales analógicas sufran interferencias. La disposición para este tipo de situación debe ser cuidadosamente inspeccionada y verificada para garantizar que se cumplan por completo las reglas de diseño. De lo contrario, incluso una disposición inadecuada de las líneas de señal podría provocar el fallo de toda la placa de circuito.
Cuando los pines de tierra analógica y tierra digital de un convertidor A/D se conectan juntos, la mayoría de los fabricantes de convertidores A/D sugerirán conectar los pines AGND y DGND a la misma tierra con baja impedancia mediante conductores mínimos. Esto se debe a que esos pines no están conectados internamente en la mayoría de los circuitos integrados de convertidores A/D y cualquier impedancia externa conectada a DGND hará que más ruido digital se acople al circuito analógico dentro del CI a través de la capacitancia parásita. En consecuencia, tanto los pines AGND como DGND del convertidor A/D deben conectarse a la tierra analógica. Sin embargo, esto generará la cuestión de si la tierra analógica o la tierra digital debe conectarse al terminal de tierra del condensador de desacoplo de las señales digitales.
En lo que respecta al sistema con un único convertidor A/D, el problema mencionado anteriormente puede resolverse fácilmente. Con la tierra separada, la sección de tierra analógica y la sección de tierra digital se conectan debajo del convertidor A/D. Cuando se utiliza este método, el puente entre las dos tierras debe ser tan ancho como el del CI y ninguna línea de señal debe cruzar la división.
Cuando se trata de un sistema con unos pocos convertidores A/D, 10 por ejemplo, ¿cómo deberíamos conectarlos? Si seguimos la misma solución presentada anteriormente, es decir, conectar la tierra analógica y la tierra digital bajo el convertidor A/D, se producirán múltiples puntos de conexión, de modo que el aislamiento entre la tierra analógica y la tierra digital perderá su sentido. Si la conexión no se realiza de esta manera, no se cumplirán los requisitos del fabricante. La solución óptima radica en la aplicación de una tierra uniforme que se divida en una sección analógica y una sección digital. Este tipo de diseño no solo cumple con el requisito sobre tierra analógica y tierra digital de los fabricantes de CI, que exigen baja impedancia entre ellas, sino que también evita problemas relacionados con la EMC, como antenas de lazo o antenas dipolo.
Si los ingenieros tienen dudas sobre la aplicación de una masa uniforme en el diseño de PCB, el diseño de la distribución puede implementarse basándose en el método de división del plano de masa. Durante el proceso de diseño, la placa debe permitir el uso de un puente de menos de 0,5 pulgadas o una resistencia de 0 ohmios para conectar las masas divididas. Debe prestarse mucha atención a la partición y al diseño para garantizar que no se coloquen líneas de señal digitales sobre la sección analógica y viceversa. Además, ninguna línea de señal debe cruzar una división de masa ni divisiones de alimentación aisladas. Para probar las funciones de la PCB y su EMC, las dos masas deben conectarse mediante una resistencia de 0 ohmios o un puente y luego volver a probar las funciones de la placa y su EMC. La comparación de resultados indica que, en todos los casos, la solución de masa uniforme es mejor que la solución de masa dividida en términos de funciones y EMC.
Diseño de PCB de señal mixtaes un proceso complicado. Una PCB debe dividirse en una sección analógica independiente y una sección digital, y el convertidor A/D debe colocarse entre ambas secciones. Para separar las alimentaciones analógica y digital, no se debe cruzar la división entre planos de alimentación aislados, y las líneas de señal que deban cruzarse deben disponerse en la capa del circuito que sea adyacente a un área grande. Debe analizarse por dónde fluye la corriente de retorno y cómo fluye, de modo que se pueda cumplir con una disposición adecuada de los componentes y con las reglas de diseño correctas. En todas las capas de una placa de circuito, las señales digitales solo pueden trazarse en las secciones digitales, mientras que las señales analógicas solo pueden trazarse en las secciones analógicas.
Método de diseño del plano de tierra y aplicaciones de PCB de señal mixta
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La Compatibilidad Electromagnética (EMC) permite que los dispositivos electrónicos coexistan en sincronización sin interferencias, lo cual es fundamental en el diseño de PCB de señal mixta. Con la aplicación de métodos como la reducción de las áreas de los bucles de circuito y el uso de planos de referencia únicos, los ingenieros pueden minimizar eficazmente los efectos electromagnéticos no deseados. Una partición efectiva de las secciones analógicas y digitales y diseños eficientes de planos de tierra aíslan la diafonía y las interferencias de ruido, mejorando la integridad de la señal y el rendimiento del sistema.
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