Dominando Interferência Eletromagnética em PCB: Estratégias para Design Confiável

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Por que é Importante Evitar Interferência Eletromagnética | Princípios de Design EMC para Prevenir e Corrigir Problemas Eletromagnéticos | 1. Plano de Terra | 2. Layout de Trilhas | 3. Arranjo de Componentes | 4. Blindagem EMI | Design EMC da Millennium Circuits Limited |

Questões eletromagnéticas consistentemente assolam designers de PCB. Engenheiros de design de sistema devem sempre monitorar compatibilidade e interferência eletromagnética. Infelizmente, até pequenos problemas de design podem resultar em dificuldades eletromagnéticas. Estas questões são ainda mais comuns do que nunca, com designs de placas encolhendo e clientes exigindo velocidades mais altas.

As duas questões primárias em jogo são compatibilidade eletromagnética e interferência eletromagnética.

Compatibilidade eletromagnética, ou EMC, envolve a geração, propagação e recepção de energia eletromagnética, geralmente através de design ruim. Interferência eletromagnética, ou EMI, refere-se aos efeitos indesejados e danosos de EMC, bem como interferência eletromagnética de fontes ambientais. Muito EMI pode resultar em um produto defeituoso ou danificado. Qualquer designer de PCB deve seguir regras de design EMC para minimizar a quantidade e efeitos de EMI.

Felizmente, design EMC adequado pode reduzir EMI em placas de circuito.

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Por que é Importante Evitar Interferência Eletromagnética

Fontes de interferência eletromagnética estão ao nosso redor, e podemos categorizá-las de várias maneiras:

• Fonte: EMI feita pelo homem surge de circuitos eletrônicos. EMI ocorrendo naturalmente, por outro lado, pode surgir de fatores ambientais como ruído cósmico e raios.

• Duração: Interferência contínua é uma fonte de EMI que emite um sinal constante, que mais frequentemente aparece como ruído de fundo. 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 encontrar interferência de osciladores e transmissores, embora estas fontes afetem apenas certas partes do espectro intermitentemente. Interferência de banda larga afeta sinais de alta dados como TV e pode vir de muitas fontes, incluindo soldadores a arco e ruído solar.

Seja feita pelo homem ou ambiental, EMI pode ser tanto custosa quanto perigosa. Pode interromper canais de comunicação e dispositivos sensíveis. EMI é uma preocupação notável no campo médico, onde uso de dispositivos sem fio está em ascensão. Infelizmente, EMI pode afetar a funcionalidade de equipamentos médicos como ventiladores, monitores ECG, monitores cardíacos e desfibriladores. Em outras indústrias, EMI pode interromper sensores e sistemas de navegação. O resultado em todos os casos é uma perturbação de equipamento que pode ser responsável pela saúde e segurança de seus usuários.

No entanto, a fonte mais comum de EMI — e a mais problemática para designers — é interna. Design ruim de PCB pode resultar em sinais incompatíveis interferindo uns com os outros na placa. Esta interferência pode finalmente causar a falha da placa. Designers devem garantir que a interferência seja mantida ao mínimo e quaisquer sinais emitidos sejam compatíveis para não resultar em interferência.

 

Princípios de Design EMC para Prevenir e Corrigir Problemas Eletromagnéticos

Designers de placas de circuito devem seguir princípios de design de compatibilidade eletromagnética para manter EMI ao mínimo. As causas básicas de problemas EMC são bastante comuns e principalmente têm a ver com falhas de design que causam interferência entre as trilhas, circuitos, vias, bobinas de PCB e outros elementos.

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

 

1. Plano de Terra

Projetar o plano de terra de um PCB é o passo mais significativo, e é crucial para reduzir EMI. O plano de terra é sua primeira linha de defesa contra EMI já que todos os circuitos requerem um terra para funcionar. Algumas práticas comuns recomendadas para design de terra para reduzir EMI incluem:

• Maximizar área de terra: Aumente a área de terra tanto quanto possível dentro do PCB. Sinais podem dispersar mais facilmente com mais área, reduzindo emissões, cross-talk e ruído. Se o plano de terra é muito pequeno, você poderia possivelmente adicionar outra camada e criar um PCB multicamadas. Esta solução de design fornece mais opções para lidar com trilhas de alta velocidade.

• Usar planos sólidos: Especialmente em PCBs multicamadas, um plano de terra sólido é uma opção ideal. Planos de terra com copper-thieving e hashed geralmente resultam em níveis de impedância mais altos. Planos de terra sólidos, por outro lado, fornecem níveis mais baixos.

• Conectar cada componente: Conecte cada parte a um plano de terra ou ponto. O plano de terra atua como um agente neutralizador para design de placa, e componentes flutuantes não fazem pleno uso disto.

• Tenha cuidado com planos divididos: Designs de PCB altamente intrincados frequentemente incluem numerosas tensões reguladas, que deveriam cada uma ter seus próprios planos de terra. Muitos planos de terra, no entanto, aumentam o custo de fabricação. Esta questão é geralmente contornada através do uso de planos divididos, que criam múltiplas seções de terra em uma única camada. No entanto, designers devem sempre usar planos divididos com cuidado. Garanta que você tenha uma boa razão para usar um plano dividido e, se usando um, certifique-se de que eles estão conectados apenas em um único ponto. Múltiplas conexões de terra em um PCB de terra dividida podem criar loops, resultando em uma antena que irradia EMI.

• Conectar capacitores de bypass ou desacoplamento: Se o design inclui capacitores de bypass ou desacoplamento, conecte-os ao plano de terra. Este ato ajuda a diminuir a corrente de retorno reduzindo o tamanho do loop.

• Minimizar comprimento de sinal: O comprimento das trilhas é importante já que a quantidade de tempo que um sinal leva para chegar e voltar de uma fonte deve ser compatível. Caso contrário, pode irradiar EMI. Mantenha comprimentos de trilha o mais curtos possível e aproximadamente iguais em comprimento.

 

2. Layout de Trilhas

Trilhas são especialmente importantes para design de placa. Uso adequado de trilhas garante corrente propagada corretamente. No entanto, muitos problemas podem surgir se trilhas não são arranjadas de acordo com as principais regras de design EMC.

Trilhas são essencialmente caminhos condutivos que contêm elétrons fluindo enquanto o circuito está ativo. Assim, estas trilhas estão a um erro de criar uma antena irradiadora. Uma simples dobra ou cruzamento pode resultar em interferência eletromagnética de PCB.

Algumas das melhores regras para layout de trilhas em design de PCB incluem:

• Evitar ângulos retos: Evite ângulos de 45 graus a 90 graus para vias, trilhas e outras partes. A capacitância aumenta à medida que trilhas alcançam ângulos acima de 45 graus. Como resultado, a impedância característica muda, levando a reflexão. Esta reflexão resulta em EMI. Você pode evitar este problema arredondando trilhas que precisam virar uma esquina ou roteando-as através de dois ou mais ângulos de 45 graus ou menos.

• Manter sinais separados: Mantenha trilhas de alta velocidade separadas de sinais de baixa velocidade e sinais analógicos separados de digitais. Proximidade próxima pode resultar em interferência.

• Encurtar caminhos de retorno: Mantenha caminhos de corrente de retorno o mais curtos possível, e roteie-os ao longo de caminhos de menor resistência. Caminhos de retorno devem ser aproximadamente do mesmo comprimento que trilhas de transmissão ou mais curtos.

• Atentar para espaçamento: Dois sinais de alta velocidade rodando em paralelo criam EMI através de cross-talk, no qual uma trilha é o "agressor" e a outra é a "vítima". O agressor influencia a trilha vítima através de acoplamento indutivo e capacitivo, criando corrente para frente e para trás na trilha vítima. Você pode minimizar cross-talk mantendo um espaçamento mínimo entre trilhas. Geralmente, separe trilhas pelo dobro da largura da trilha. Por exemplo, se as trilhas têm cinco milésimos de polegada de largura, mantenha uma distância mínima de dez milésimos de polegada ou mais entre duas trilhas paralelas.

• Usar vias com cuidado: Vias são necessárias em design de PCB porque permitem que você aproveite múltiplas camadas em suas placas ao rotear. No entanto, designers devem ter cuidado ao usá-las. Vias adicionam seus próprios efeitos de indutância e capacitância à mistura, potencialmente resultando em reflexões devido a mudanças na impedância característica. Vias também aumentam o comprimento da trilha, que precisa ser igualado. Quando possível, evite usar vias para trilhas diferenciais. Se isso for impossível, no entanto, use-as em ambas as trilhas para compensar o atraso.

 

3. Arranjo de Componentes

Componentes eletrônicos são os blocos de construção de um circuito eletrônico. No entanto, arranjá-los inadequadamente pode causar várias questões de EMI. Ao projetar um PCB, esteja atento ao impacto de EMI de cada peça. Algumas melhores práticas para layout de componentes em design de PCB incluem o seguinte:

• Separar peças analógicas e digitais: Como com trilhas, sempre separe circuitos e componentes analógicos e digitais. Colocar circuitos analógicos e digitais em proximidade próxima pode resultar em cross-talk, entre outros problemas. Para evitar isso, use blindagem, múltiplas camadas e terras separadas para colocar sinais analógicos e digitais o mais longe possível um do outro. Geralmente, é melhor manter sinais analógicos e digitais em terras separadas completamente.

• Separar peças analógicas e de alta velocidade: Circuitos analógicos carregam alta corrente, que pode causar problemas para trilhas de alta velocidade e sinais de comutação. Mantenha estes longe um do outro e proteja circuitos analógicos com sinal de terra. Em PCBs multicamadas, roteie trilhas analógicas de forma que um plano de terra exista entre o circuito analógico e os sinais de comutação ou alta velocidade.

• Tenha cuidado com componentes de alta velocidade: Quanto mais rápido e menor o componente é, maior a quantidade de EMI que provavelmente produz. Você pode combater esta EMI natural através de blindagem e filtragem, embora também seja uma boa ideia separar estes componentes de outros no design da placa. Outra medida a tomar é manter sinais de alta velocidade e clocks o mais curtos possível e adjacentes ao plano de terra. Estas medidas ajudam a manter cross-talk, ruído e níveis de radiação em cheque e dentro dos limites de nível aceitáveis.

 

4. Blindagem EMI

Alguns componentes produzirão EMI não importa quais regras de design você siga — especialmente peças pequenas e de alta velocidade. Felizmente, blindagem e filtragem podem manter os efeitos desta EMI ao mínimo. Algumas opções de blindagem e filtragem incluem o seguinte:

• Blindagem de componente e placa: Escudos físicos são pacotes metálicos que encapsulam toda ou parte de uma placa. Seu objetivo é manter EMI de entrar na circuitaria da placa, embora os métodos específicos variem baseados na fonte da EMI. Para EMI que vem de dentro do sistema, escudos de componente podem ser usados para envolver um componente específico que produz EMI — assim conectando ao terra, reduzindo o tamanho do loop da antena e absorvendo EMI. Outros escudos podem envolver a placa inteira para proteger contra EMI de fontes externas. Uma Gaiola de Faraday, por exemplo, é um gabinete protetor grosso projetado para bloquear ondas RF. Estes dispositivos são geralmente feitos de metal ou espuma condutiva.

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

• Blindagem de cabo: Cabos que carregam correntes analógicas e digitais criam a maior quantidade de questões de EMI. Eles produzem estas questões produzindo capacitância e indutância parasitas — um problema particular para sinais de alta frequência. Felizmente, blindar estes cabos e conectá-los ao terra na frente e atrás ajuda a cancelar interferência EMI.

 

Design EMC da Millennium Circuits Limited

À medida que a tecnologia progride e questões de interferência eletromagnética aumentam, sua empresa precisa investir em recursos para se preparar para o futuro. Questões eletromagnéticas se tornarão mais avançadas, e manter-se no topo das melhores práticas mais recentes é a melhor maneira de evitar estas questões e configurar sua empresa para sucesso futuro. Parte disso deve envolver parceria com um fornecedor de qualidade de placa de circuito impresso. Seu fornecedor posicionará sua empresa para lidar com qualquer projeto de PCB que vier. A Millennium Circuits Limited pode ajudá-lo a chegar lá.

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