Superando problemas eletromagnéticos de PCB

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Por que é importante evitar interferência eletromagnética | Princípios de projeto da EMC para prevenir e corrigir problemas eletromagnéticos | 1. Plano de Terra | 2. Esquema de rastreamento | 3. Arranjo de Componentes | 4. Blindagem EMI | Projeto EMC da Millennium Circuits Limited |

Problemas eletromagnéticos afligem consistentemente os projetistas de PCBs. Os engenheiros de projeto do sistema devem sempre monitorar a compatibilidade e a interferência eletromagnética. Infelizmente, mesmo pequenos problemas de projeto podem resultar em dificuldades eletromagnéticas. Esses problemas são ainda mais comuns do que nunca, com designs de placas cada vez menores e clientes exigindo velocidades mais altas.

Os dois principais problemas em jogo são a compatibilidade eletromagnética e a interferência eletromagnética.

A compatibilidade eletromagnética, ou EMC, envolve a geração, propagação e recepção de energia eletromagnética, geralmente através de um projeto pobre. A interferência eletromagnética, ou EMI, refere-se aos efeitos indesejados e prejudiciais da EMC, bem como à interferência eletromagnética de fontes ambientais. Excesso de EMI pode resultar em um produto defeituoso ou danificado. Qualquer projetista de PCB deve seguir as regras de projeto da EMC para minimizar a quantidade e os efeitos da EMI.

Felizmente, o projeto EMC adequado pode reduzir a EMI em placas de circuito.

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Por que é importante evitar interferência eletromagnética

As fontes de interferência eletromagnética estão ao nosso redor e podemos categorizá-las de várias maneiras:

• Fonte: A EMI feita pelo homem surge de circuitos eletrônicos. A EMI de ocorrência natural, por outro lado, pode surgir de fatores ambientais, como ruídos cósmicos e raios.

• Duração: A interferência contínua é uma fonte EMI que emite um sinal constante, que na maioria das vezes aparece como ruído de fundo. A interferência de impulso é intermitente, geralmente causada por sistemas de comutação, raios e outras fontes não constantes.

• Largura de banda: Sinais de banda estreita, como os usados ​​por rádio, podem sofrer interferência de osciladores e transmissores, embora essas fontes afetem apenas algumas partes do espectro de forma intermitente. A interferência de banda larga afeta sinais de alto volume de dados, como TV, e pode vir de várias fontes, incluindo soldadores a arco e ruído solar.

Seja feita pelo homem ou ambiental, a EMI pode ser cara e perigosa. Pode interromper os canais de comunicação e dispositivos sensíveis. A EMI é uma preocupação notável na área médica, onde o uso de dispositivos sem fio está aumentando. Infelizmente, a EMI pode afetar a funcionalidade de equipamentos médicos como ventiladores, monitores de ECG, monitores cardíacos e desfibriladores. Em outras indústrias, a EMI pode interromper sensores e sistemas de navegação. O resultado em todos os casos é uma perturbação do equipamento que pode ser responsável pela saúde e segurança de seus usuários.

No entanto, a fonte mais comum de EMI – e a fonte mais problemática para designers – é interna. Um design de PCB ruim pode resultar em sinais incompatíveis interferindo uns com os outros na placa. Essa interferência pode fazer com que a placa falhe. Os projetistas devem garantir que a interferência seja mínima e que quaisquer sinais emitidos sejam compatíveis para não resultar em interferência.

Princípios de projeto EMC para prevenir e corrigir problemas eletromagnéticos

Os projetistas de placas de circuito devem seguir os princípios de design de compatibilidade eletromagnética para manter a EMI no mínimo. As causas básicas dos problemas de EMC são bastante comuns e principalmente têm a ver com falhas de projeto que causam interferência entre os traços, circuitos, vias, bobinas de PCB e outros elementos.

Esses princípios essenciais de design podem ajudar a prevenir e corrigir esses problemas eletromagnéticos em um design de placa de circuito impresso.

1. Plano Terrestre

Projetar o plano de aterramento de um PCB é o passo mais significativo e é crucial para reduzir a EMI. O plano de aterramento é sua primeira linha de defesa contra EMI, pois todos os circuitos exigem um aterramento para funcionar. Algumas práticas recomendadas comuns para o projeto do solo para reduzir a EMI incluem:

• Maximizar a área do solo: Aumente a área de aterramento o máximo possível dentro do PCB. Os sinais podem se dispersar mais facilmente com mais área, reduzindo emissões, interferência e ruído. Se o plano de terra for muito pequeno, você pode adicionar outra camada e criar uma PCB multicamada. Essa solução de design oferece mais opções para lidar com rastreamentos de alta velocidade.

• Use planos sólidos: Especialmente em PCBs multicamadas, um plano de aterramento sólido é uma opção ideal. Planos de aterramento com ladrões de cobre e hash geralmente resultam em níveis de impedância mais altos. Planos de solo sólido, por outro lado, fornecem níveis mais baixos.

• Conecte cada componente: Conecte cada peça a um plano de aterramento ou ponto. O plano de aterramento atua como um agente neutralizador para o design da placa, e os componentes flutuantes não fazem uso completo disso.

• Tenha cuidado com planos divididos: Projetos de PCB altamente intrincados geralmente incluem várias voltagens reguladas, que devem ter seus próprios planos de aterramento. Muitos planos de solo, no entanto, aumentam o custo de fabricação. Esse problema geralmente é contornado com o uso de planos divididos, que criam várias seções de solo em uma única camada. No entanto, os designers devem sempre usar planos divididos com cuidado. Certifique-se de ter um bom motivo para usar um plano dividido e, se estiver usando um, certifique-se de que eles estejam conectados apenas em um único ponto. Várias conexões de aterramento em um PCB de aterramento dividido podem criar loops, resultando em uma antena que irradia EMI.

• Conecte capacitores de desvio ou desacoplamento: Se o projeto incluir capacitores de bypass ou desacoplamento, conecte-os ao plano de aterramento. Esse ato ajuda a diminuir a corrente de retorno, reduzindo o tamanho do loop.

• Minimizar o comprimento do sinal: O comprimento dos traços é importante, pois a quantidade de tempo que um sinal leva para chegar e sair de uma fonte deve ser compatível. Caso contrário, pode irradiar EMI. Mantenha os comprimentos dos traços o mais curtos possível e aproximadamente iguais em comprimento.

2. Layout de rastreamento

Os traços são especialmente importantes para o design da placa. O uso adequado do rastreamento garante a propagação correta da corrente. No entanto, muitos problemas podem surgir se os rastreamentos não forem organizados de acordo com as principais regras de projeto da EMC.

Traços são essencialmente caminhos condutores que contêm elétrons fluindo enquanto o circuito está ativo. Assim, esses traços estão a um erro de criar uma antena radiante. Uma simples curva ou cruz pode resultar em interferência eletromagnética da placa de circuito impresso.

Algumas das melhores regras para layout de rastreamento no design de PCB incluem:

• Evite ângulos retos: Evite ângulos de 45 graus a 90 graus para vias, traços e outras peças. A capacitância aumenta à medida que os traços atingem ângulos acima de 45 graus. Como resultado, a impedância característica muda, levando à reflexão. Essa reflexão resulta em EMI. Você pode evitar esse problema arredondando os traços que precisam virar uma esquina ou roteando-os por dois ou mais ângulos de 45 graus ou menos.

• Mantenha os sinais separados: Mantenha os traços de alta velocidade separados dos sinais de baixa velocidade e os sinais analógicos separados dos digitais. A proximidade pode resultar em interferência.

• Encurtar caminhos de retorno: Mantenha os caminhos de corrente de retorno o mais curtos possível e encaminhe-os ao longo dos caminhos de menor resistência. Os caminhos de retorno devem ter aproximadamente o mesmo comprimento que os traços de transmissão ou menores.

• Espaçamento mental: Dois sinais de alta velocidade executados em paralelo criam EMI através de cross-talk, em que um traço é o “agressor” e o outro é a “vítima”. O agressor influencia o traço da vítima através do acoplamento indutivo e capacitivo, criando corrente direta e inversa no traço da vítima. Você pode minimizar a conversa cruzada mantendo um espaçamento mínimo entre os traços. Geralmente, separe os traços pelo dobro da largura do traço. Por exemplo, se os traços tiverem cinco milésimos de polegada de largura, mantenha uma distância mínima de dez milésimos de polegada ou mais entre dois traços paralelos.

• Use as vias com cuidado: Vias são necessárias no design de PCB porque permitem que você aproveite várias camadas em suas placas durante o roteamento. No entanto, os designers devem ter cuidado ao usá-los. As vias adicionam seus próprios efeitos de indutância e capacitância à mistura, potencialmente resultando em reflexões devido a mudanças na impedância característica. As vias também aumentam o comprimento do traço, que precisa ser correspondido. Quando possível, evite usar vias para traços diferenciais. Se isso for impossível, no entanto, use-os em ambos os traços para compensar o atraso.

3. Disposição dos componentes

Os componentes eletrônicos são os blocos de construção de um circuito eletrônico. No entanto, organizá-los incorretamente pode causar vários problemas de EMI. Ao projetar uma PCB, esteja atento ao impacto EMI de cada peça. Algumas práticas recomendadas para layout de componentes no design de PCB incluem o seguinte:

• Partes analógicas e digitais separadas: Assim como nos rastreamentos, sempre separe os circuitos e componentes analógicos e digitais. Colocar circuitos analógicos e digitais próximos pode resultar em cross-talk, entre outros problemas. Para evitar isso, use blindagem, várias camadas e aterramentos separados para colocar os sinais analógicos e digitais o mais longe possível um do outro. Geralmente, é melhor manter os sinais analógicos e digitais em terrenos separados.

• Peças analógicas e de alta velocidade separadas: Os circuitos analógicos transportam alta corrente, o que pode causar problemas para traços de alta velocidade e sinais de comutação. Mantenha-os afastados uns dos outros e proteja os circuitos analógicos com sinal de terra. Em PCBs multicamadas, roteie traços analógicos para que exista um plano de aterramento entre o circuito analógico e os sinais de comutação ou de alta velocidade.

• Tenha cuidado com componentes de alta velocidade: Quanto mais rápido e menor for o componente, maior será a quantidade de EMI que ele provavelmente produzirá. Você pode combater essa EMI natural por meio de blindagem e filtragem, embora também seja uma boa ideia separar esses componentes de outros no design da placa. Outra medida a ser tomada é manter os sinais e relógios de alta velocidade o mais curtos possível e adjacentes ao plano de terra. Essas medidas ajudam a manter os níveis de interferência, ruído e radiação sob controle e dentro dos limites de nível aceitáveis.

4. Blindagem EMI

Alguns componentes produzirão EMI independentemente das regras de projeto que você seguir - especialmente peças pequenas e de alta velocidade. Felizmente, a blindagem e a filtragem podem manter os efeitos dessa EMI no mínimo. Algumas opções de blindagem e filtragem incluem o seguinte:

• Blindagem de componentes e placas: Blindagens físicas são pacotes metálicos que encapsulam toda ou parte de uma placa. Seu objetivo é impedir que a EMI entre nos circuitos da placa, embora os métodos específicos variem de acordo com a fonte da EMI. Para EMI que vem de dentro do sistema, blindagens de componentes podem ser usadas para encapsular um componente específico que produz EMI - conectando-se assim ao terra, reduzindo o tamanho do loop da antena e absorvendo EMI. Outras blindagens podem envolver toda a placa para proteger contra EMI de fontes externas. Uma gaiola de Faraday, por exemplo, é um invólucro de proteção espesso projetado para bloquear ondas de RF. Esses dispositivos geralmente são feitos de metal ou espuma condutora.

• Filtragem passa-baixa: Às vezes, um PCB pode incluir filtros de passagem baixa para eliminar o ruído de alta frequência dos componentes. Esses filtros suprimem o ruído dessa parte, permitindo que a corrente continue no caminho de retorno sem interferência.

• Blindagem do cabo: Cabos que transportam correntes analógicas e digitais criam a maior quantidade de problemas de EMI. Eles produzem esses problemas produzindo capacitância e indutância parasitas – um problema específico para sinais de alta frequência. Felizmente, blindar esses cabos e conectá-los ao aterramento na parte frontal e traseira ajuda a cancelar a interferência EMI.

Projeto EMC da Millennium Circuits Limited

À medida que a tecnologia avança e os problemas de interferência eletromagnética aumentam, sua empresa precisa investir em recursos para se preparar para o futuro. Os problemas eletromagnéticos se tornarão mais avançados e manter-se atualizado com as práticas recomendadas mais recentes é a melhor maneira de evitar esses problemas e preparar sua empresa para o sucesso futuro. Parte disso deve envolver a parceria com um fornecedor de placas de circuito impresso de qualidade. Seu fornecedor irá preparar sua empresa para lidar com qualquer projeto de PCB que surja em seu caminho. A Millennium Circuits Limited pode ajudá-lo a chegar lá.

A Millennium Circuits Limited, também conhecida como MCL, é um fornecedor líder de placas de circuito impresso que pode criar seus PCBs aqui nos EUA.

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