La gestión de las interferencias electromagnéticas (EMI) constituye uno de los principales retos a los que deben enfrentarse los diseñadores electrónicos para garantizar que las placas de circuitos impresos (PCB) funcionen de manera correcta y fiable. EMI se refiere a la energía electromagnética no deseada que interfiere en el funcionamiento normal de los dispositivos electrónicos, pudiendo causar fallos de funcionamiento o averías.
La mitigación de EMI cobra mayor relevancia a medida que los componentes electrónicos se empaquetan más densamente, funcionan a frecuencias más altas y deben cumplir tolerancias más estrictas. En este artículo se analizan las técnicas de diseño, los procedimientos de conexión a tierra, el apantallamiento, el filtrado y la colocación de componentes como algunas de las estrategias de mitigación de EMI.
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Técnicas de diseño de PCB
El control de EMI depende en gran medida del diseño de PCB. Los diseñadores pueden reducir los riesgos de problemas de interferencias electromagnéticas con la aplicación de estrategias de diseño adecuadas, como las que se describen a continuación.
Encaminamiento de señales
El encaminamiento de señales es un factor clave a tener en consideración en el diseño de PCB. Es importante encaminar las señales de alta velocidad con cuidado para limitar la longitud de las trazas, ya que las líneas más largas pueden funcionar como antenas y emitir interferencias electromagnéticas.
Los diseñadores deben utilizar pares diferenciales al encaminar señales de alta frecuencia, puesto que pueden eliminar con eficacia el ruido de modo común. Además, la minimización de la longitud y la garantía de una trayectoria directa de las trazas de señal disminuye las probabilidades de que funcionen como emisores de radiación. Es esencial evitar las curvas en ángulo recto, dado que pueden provocar reflejo y amplificar las EMI. En cambio, es aconsejable utilizar ángulos de 45 grados o trazas curvas (Figura 1).
1: Se evitarán las trazas con ángulos de 90º
Apilamiento de capas
La disposición de las capas de un PCB tiene un impacto considerable en su rendimiento EMI. Un apilamiento de capas adecuadamente diseñado puede ofrecer un blindaje eficaz y contribuir al control de la impedancia. Un ejemplo de ello es cuando se coloca un plano de tierra continuo adyacente a una capa de señal, lo que da lugar a la formación de una trayectoria de retorno con baja inductancia. Esto, a su vez, disminuye las probabilidades de interferencias electromagnéticas (EMI).
Una configuración de apilamiento común puede consistir en capas alternas de planos de señal y de tierra o de potencia, con capas de señales de alta velocidad ubicadas junto a los planos de tierra. Este diseño mitiga de manera eficaz las interferencias electromagnéticas y minimiza las interferencias de señal entre distintos canales.
Trayectorias de retorno
Es fundamental garantizar que las trazas de señal tengan un canal de retorno distinto y de baja inductancia para minimizar la EMI. Las trazas de señal deben ir acompañadas de un plano de tierra cercano para permitir que la corriente de retorno pase directamente por debajo de la traza de señal. Esta distancia próxima disminuye el tamaño del bucle, aspecto importante para reducir las ondas electromagnéticas emitidas.
Cuando se interrumpe la trayectoria de retorno, la corriente podría seguir un curso más largo y menos directo, lo que se traduce en un aumento del área del bucle y de la EMI.
Técnicas de conexión a tierra
La conexión a tierra es un elemento esencial del diseño de PCB, en especial cuando se trata de EMI. Un sistema de conexión a tierra eficazmente diseñado puede inhibir la propagación del ruido y minimizar la vulnerabilidad a las interferencias externas.
Planos de tierra
El uso de un plano de tierra sólido es un método muy eficaz para la gestión de EMI. Los planos de tierra sirven como trayectorias de baja impedancia para las corrientes de retorno y brindan protección a circuitos delicados protegiéndolos del ruido radiado. Los planos de tierra múltiples en PCB multicapa pueden proporcionar un apantallamiento adicional y propiciar una reducción eficaz de EMI. Los planos de tierra deben mantenerse sólidos y sin roturas ni divisiones, ya que las interrupciones pueden generar vías con alta impedancia y provocar un aumento del ruido.
Esquemas de conexión a tierra
Existen distintos esquemas de conexión a tierra que los diseñadores pueden emplear, dependiendo de la aplicación. Un enfoque común consiste en utilizar una conexión a tierra de un solo punto, en la que todas las conexiones a tierra convergen en una única ubicación. Este método es eficaz para diseños de baja frecuencia. En el caso de los diseños de alta frecuencia, puede resultar más adecuado el uso de una toma de tierra multipunto, donde las conexiones a tierra se realizan en múltiples ubicaciones para minimizar los bucles inductivos. Además, la separación de las masas analógica y digital puede evitar que el ruido de los circuitos digitales contamine las señales analógicas sensibles. Si es necesaria la separación, las tomas de tierra deben conectarse en un único punto, normalmente próximo a la fuente de alimentación.
Bucles de tierra
Los bucles de tierra son una fuente importante de EMI. Estos sucesos surgen de la existencia de muchas trayectorias de tierra que crean un bucle, lo que provoca a la recepción de interferencias y la introducción de ruido en el sistema. Para evitar los bucles de tierra, los diseñadores deben establecer un punto singular para todas las conexiones a tierra y evitar la creación de varios canales que potencialmente podrían crear un bucle. Al implementar un sistema de conexión a tierra en estrella, donde todas las conexiones a tierra se originan desde un punto central, se pueden evitar con eficacia los bucles de tierra.
Apantallamiento
El apantallamiento es un método eficaz para contener y controlar las emisiones electromagnéticas, especialmente en entornos con altos niveles de EMI o componentes sensibles.
El apantallamiento puede conseguirse con el uso de carcasas conductoras alrededor del PCB o de componentes específicos (Figura 2). Estas carcasas actúan como jaulas de Faraday, impidiendo que las EMI entren o salgan de la zona cerrada. Las carcasas o cubiertas metálicas pueden utilizarse para proteger todo el PCB o secciones críticas. Por ejemplo, la colocación de un blindaje metálico sobre componentes analógicos sensibles puede protegerlos del ruido digital.
Figura 2: Los blindajes protegen las zonas sensibles del PCB de las EMI.
Es crucial conectar los blindajes a tierra para garantizar su eficacia. Un blindaje que no esté correctamente conectado a tierra puede actuar como antena y exacerbar los problemas de EMI. La conexión a tierra debe ser lo más corta y directa posible para proporcionar una trayectoria de baja impedancia. En algunos casos, puede ser necesaria la conexión a tierra del blindaje en varios puntos para garantizar una contención eficaz de EMI.
Además de las carcasas externas, se puede implementar el apantallamiento a nivel de PCB. Esto implica la colocación de latas de apantallamiento sobre componentes o zonas específicas del PCB. Estos blindajes pueden soldarse directamente al PCB y son especialmente útiles en diseños compactos en los que el espacio para apantallamiento externo es limitado.
Filtración
Los filtros son cruciales para evitar la propagación de frecuencias no deseadas a través del PCB y la producción de interferencias.
Los condensadores de desacoplamiento (Figura 3) se utilizan normalmente para filtrar el ruido de alta frecuencia de las fuentes de alimentación. Mediante la colocación de estos condensadores cerca de las clavijas de alimentación de los circuitos integrados (CI), los diseñadores pueden desviar eficazmente el ruido de alta frecuencia a tierra, impidiendo su propagación por el PCB. Es importante seleccionar condensadores con valores adecuados para las frecuencias de interés y colocarlos lo más cerca posible de los CI que deben filtrar.
Figura 3: Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse cerca de las clavijas de alimentación del CI.
Las perlas de ferrita son otro componente de filtrado eficaz, ya que proporcionan una elevada impedancia a altas frecuencias, con la consiguiente atenuación de EMI. Estas perlas se colocan con frecuencia en las líneas de alimentación o de señal para bloquear el ruido de alta frecuencia, permitiendo a la vez el paso de señales de baja frecuencia. A la hora de seleccionar perlas de ferrita, es esencial tener en cuenta sus características de impedancia en función de la frecuencia para garantizar un filtrado eficaz a las frecuencias deseadas.
Los diseñadores también pueden emplear filtros RC (resistencia-condensador) y LC (inductor-condensador) para seleccionar y atenuar rangos de frecuencia específicos. Estos filtros pueden utilizarse en líneas de señal para eliminar el ruido de alta frecuencia o en líneas de alimentación para proporcionar un filtrado adicional más allá de lo que ofrecen los condensadores de desacoplamiento. La selección cuidadosa de los valores de los componentes es crítica para garantizar que el filtro actúe con eficacia sobre las frecuencias no deseadas sin que afecte negativamente a las señales deseadas.
Colocación de los componentes
La colocación de los componentes en un PCB es un factor crítico para el control de EMI. Una colocación estratégica puede reducir significativamente el potencial de interferencias y mejorar el rendimiento general del circuito.
Separación de componentes de alta y baja velocidad
Es importante mantener los componentes y trazas de alta velocidad separados de los componentes analógicos sensibles y de baja velocidad. Las señales digitales de alta velocidad pueden generar un ruido considerable, que fácilmente puede acoplarse a los circuitos analógicos próximos si no se aíslan adecuadamente. Mediante la agrupación de componentes de alta velocidad y colocándolos lejos de los circuitos analógicos sensibles, puede minimizarse el riesgo de interferencias.
Colocación de la fuente de alimentación
La colocación de los componentes de la fuente de alimentación, como reguladores, inductores y condensadores, también es crucial para el control de EMI. Estos componentes pueden generar un ruido electromagnético significativo, sobre todo en fuentes de alimentación conmutadas. Para contener este ruido, los componentes de la fuente de alimentación deben situarse próximos a la entrada de alimentación y alejados de las zonas sensibles del PCB. Además, la colocación de condensadores de desacoplamiento cerca de las clavijas de alimentación de los CI puede evitar que el ruido de la fuente de alimentación afecte al resto del circuito.
Gestión de señales de reloj
Las señales de reloj son una fuente común de EMI debido a su alta frecuencia y naturaleza repetitiva. Por consiguiente, es esencial una colocación cuidadosa de los generadores de reloj y el encaminamiento de las señales de reloj. Las señales de reloj deben mantenerse lo más cortas posible y alejadas de los circuitos analógicos sensibles. En algunos casos, el uso de apantallamiento o la colocación de trazas de tierra adyacentes a las trazas de reloj puede contribuir a contener las emisiones radiadas.
Diseño para la fabricabilidad (DF)
Aunque el objetivo principal de la mitigación de EMI son las técnicas de diseño, es igualmente importante tener en cuenta la fabricabilidad para garantizar que el diseño pueda producirse de manera eficaz sin comprometer el rendimiento de EMI.
Los procesos de fabricación implican inherentemente variabilidad, lo que puede influir en el rendimiento de EMI del producto final. Para explicar estas variaciones, los diseñadores deben incorporar las tolerancias adecuadas en el diseño. Por ejemplo, la colocación de los componentes, los anchos de las trazas y las dimensiones de apilamiento de capas deben diseñarse teniendo en cuenta las tolerancias de fabricación. Esto garantiza que el rendimiento de EMI se mantenga constante en los diferentes lotes de producción.
La elección de los materiales del PCB desempeña un papel importante en el rendimiento de EMI. Los materiales con constantes dieléctricas elevadas pueden contribuir a reducir la propagación de señales de alta frecuencia, mientras que aquellos con tangentes de baja pérdida pueden minimizar la atenuación de la señal. Es crucial seleccionar materiales que materialicen un equilibrio entre rendimiento y fabricabilidad, garantizando que el PCB satisfaga los requisitos de EMI sin introducir retos de fabricación.
El proceso de montaje también puede influir en el rendimiento de EMI. Por ejemplo, las juntas de soldadura con alta inductancia pueden introducir ruido en el circuito. Para mantener la eficacia de las estrategias de mitigación de la EMI aplicadas durante la fase de diseño, es esencial que los procesos de ensamblaje estén estrictamente controlados y que los componentes estén soldados adecuadamente.
Pruebas y validación
Una vez implementadas las estrategias de mitigación de EMI, es esencial realizar pruebas y validaciones exhaustivas para garantizar que el PCB cumpla las normas de EMI exigidas.
Uno de los pasos esenciales en este proceso es realizar pruebas de EMI en un entorno controlado, como una cámara anecoica. Este entorno permite a los diseñadores medir con precisión las emisiones electromagnéticas del PCB impreso e identificar cualquier posible problema. Las pruebas deben abarcar tanto las emisiones radiadas como las conducidas, garantizando que el PCB cumpla con todos los aspectos de las normas EMI.
Las pruebas de EMI suelen revelar problemas que precisan ajustes de diseño iterativos. En función de los resultados de las pruebas, es posible que los diseñadores tengan que revisar varios aspectos del diseño del PCB, como la disposición, la conexión a tierra y las estrategias de apantallamiento. Este proceso de pruebas iterativas y perfeccionamiento es crucial para obtener un rendimiento óptimo de EMI y garantizar que el PCB satisfaga todos los requisitos.
07.12.2024
