Regras Eficazes de Particionamento de PCB para EMC Aprimorado

EMC, abreviação de Compatibilidade Eletromagnética, refere-se a um estado de coexistência no qual dispositivos eletrônicos são capazes de executar suas funções no mesmo ambiente eletromagnético. Em termos simples, a EMC permite que dispositivos eletrônicos operem de forma independente e normal, sem interferência entre eles, ou seja, esses dispositivos podem ser compatíveis entre si em todo o sistema. Como a EMC é alcançada controlando a EMI (Interferência Eletromagnética), ela se desenvolve com uma série de estudos sobre EMI, como introdução à EMI, pesquisa sobre EMI, soluções anti-EMI e gerenciamento de EMI.

Princípios Fundamentais da EMC

Para reduzir a interferência entre sinais digitais e analógicos, você precisa conhecer dois princípios fundamentais da EMC primeiro.
Princípio 1: A área do circuito de retorno deve ser MINIMIZADA.
Princípio 2: Apenas um ÚNICO plano de referência pode ser aplicado em um sistema.

Quando o Princípio 1 não é seguido e os sinais precisam atravessar uma grande área de loop, uma grande antena de loop será gerada. No entanto, quando o Princípio 2 não é seguido e dois planos de referência estão disponíveis, uma antena dipolo será criada. Nenhum dos resultados é o esperado.

Regras e Aplicações de Particionamento de PCB de Sinais Mistos

Recomenda-se que o ground digital e o ground analógico na mesma placa de sinais mistos sejam separados para alcançar o isolamento entre eles. Apesar da viabilidade dessa solução, muitos problemas latentes ocorrerão, que são especialmente proeminentes em sistemas de grande escala. O problema crucial reside no fato de que o roteamento falha ao ser configurado através da divisão entre ground digital e ground analógico. Com o roteamento atravessando a divisão, tanto a radiação eletromagnética quanto o crosstalk de sinal aumentarão drasticamente. O problema mais comum no design de PCB reside na ocorrência de EMI devido a linhas de sinal cruzando ground ou power divididos.

A Figura 1 abaixo representa a situação descrita acima.

Com base nesse método de divisão, as linhas de sinal precisam atravessar a divisão entre ground digital e ground analógico. Então, como é o caminho de retorno do circuito de sinal? Suponha que os dois grounds divididos estejam conectados em um ponto e, nessa situação, um grande loop será gerado pelo circuito de ground. Em seguida, circuitos de alta frequência fluindo através de um grande loop levarão à ocorrência de um grande loop com alta capacitância de ground e radiação gerada. Se circuitos analógicos de baixo nível fluírem através do grande loop, eles serão facilmente interferidos por sinais externos. A pior situação ocorrerá quando o ground dividido estiver conectado ao power, formando um loop de circuito extremamente grande. Além disso, uma antena dipolo será formada quando ground analógico e ground digital forem conectados através de um longo condutor. Como resultado, engenheiros devem conhecer o caminho e o método do circuito de retorno na otimização do design de PCB de sinais mistos. No entanto, muitos engenheiros observam apenas o caminho de fluxo do circuito de sinal sem pensar no caminho específico dos circuitos. Se o plano de ground precisar ser dividido e o roteamento tiver que ser organizado através da divisão, a conexão de ponto único pode ser implementada primeiro entre os dois grounds divididos com uma ponte formada para que um caminho de retorno de corrente contínua seja fornecido sob cada linha de sinal com uma pequena área de loop formada, o que é indicado na Figura 2.

A aplicação de dispositivos de isolamento óptico ou transformadores também pode fazer os sinais atravessarem a divisão. No caso de dispositivos de isolamento óptico, são sinais ópticos que atravessam a divisão. No caso de transformadores, é o campo magnético que atravessa a divisão. Outro método aplicável reside na aplicação de sinais diferenciais. O sinal flui por uma linha enquanto retorna por outra linha de sinal. Nessa condição, o ground não é necessário como caminho de retorno.

O particionamento dividido pode ser aplicado nas seguintes três circunstâncias:
Circunstância 1: Alguns equipamentos médicos exigem uma baixa corrente de fuga entre o circuito conectado a pacientes e o sistema.
Circunstância 2: A entrada de alguns equipamentos de controle de processo industrial pode ser conectada a dispositivos eletromecânicos com alto ruído e potência.
Circunstância 3: O layout de PCB sofre de certas limitações.

Powers digitais e analógicos independentes geralmente estão disponíveis em PCBs de sinais mistos e planos de power divididos podem e devem ser utilizados. No entanto, linhas de sinal próximas a planos de power falham em atravessar a divisão entre powers e todas as linhas de sinal que cruzam essa divisão devem ser adjacentes a planos condutores com grande área. Em algumas situações, problemas de divisão de planos de power podem ser evitados projetando o power analógico como fios de conexão de PCB em vez de apenas um plano.

Método de Layout do Plano de Ground e Aplicações de PCB de Sinais Mistos

Para discutir a interferência deixada por sinais digitais em sinais analógicos, os atributos de corrente de alta frequência precisam ser entendidos primeiro. Corrente de alta frequência sempre depende do caminho com impedância mínima (menor indutância) e fica diretamente sob os sinais. Como resultado, o caminho de retorno fluirá através do plano de circuito adjacente, independentemente de ser um plano de power ou ground. Na operação prática, o plano de ground tende a ser usado com a placa de circuito particionada em seção analógica e seção digital. Sinais analógicos são roteados dentro de seções analógicas de todos os planos, enquanto sinais digitais dentro da área de circuito digital. Nessa situação, a corrente de retorno de sinal digital não fluirá para o ground de sinais analógicos. Desde que o layout de sinal digital seja realizado acima da seção analógica ou o layout de sinal analógico seja realizado acima da seção digital em PCBs, a interferência produzida por sinais digitais em sinais analógicos será gerada.

A ocorrência de tais problemas não deriva da ausência de ground dividido, mas do layout inadequado de sinais digitais. Quando se trata de design de PCB, aplicação de plano de ground, particionamento por circuitos digitais e analógicos e layout de sinal razoável geralmente ajudam a resolver problemas difíceis de layout e particionamento. Além disso, alguns problemas potenciais causados por ground dividido podem ser evitados. Como resultado, layout e particionamento de componentes tornam-se elementos-chave que determinam a qualidade do design de PCB. Se layout e particionamento forem adequados, a corrente no ground digital será limitada à seção digital em uma placa de circuito com sinais analógicos impedidos de serem interferidos. O layout para tal situação deve ser cuidadosamente inspecionado e verificado para garantir que as regras de layout sejam totalmente conformadas. Caso contrário, até mesmo um layout inadequado de uma única linha de sinal pode levar à quebra de toda a placa de circuito.

Quando os pinos de ground analógico e digital do conversor A/D são conectados, a maioria dos fabricantes de conversores A/D sugerirá conectar os pinos AGND e DGND com o mesmo ground de baixa impedância através de condutores mínimos. Isso ocorre porque esses pinos não estão conectados internamente na maioria dos ICs conversores A/D e qualquer impedância externa conectada ao DGND levará mais ruído digital acoplado ao circuito analógico dentro do IC através de capacitância parasita. Portanto, tanto os pinos AGND quanto DGND do conversor A/D devem ser conectados ao ground analógico. No entanto, isso levantará a questão de se o ground analógico ou digital deve ser conectado ao terminal de aterramento do capacitor de desacoplamento de sinais digitais.

Quando se trata de um sistema com um único conversor A/D, o problema acima pode ser facilmente resolvido. Com o ground separado, a seção de ground analógico e a seção de ground digital são conectadas sob o conversor A/D. Quando esse método é usado, a ponte entre os dois grounds deve ser tão larga quanto a do IC e nenhuma linha de sinal deve atravessar a divisão.

Quando se trata de um sistema com alguns conversores A/D, 10 por exemplo, como devemos conectar? Se seguirmos a mesma solução apresentada acima, ou seja, conectar ground analógico e ground digital sob o conversor A/D, conexões de múltiplos pontos serão causadas, de modo que o isolamento entre ground analógico e ground digital se tornará sem sentido. Se a conexão não for realizada assim, o requisito do fabricante não será atendido. A solução ideal reside na aplicação de ground uniforme que é dividido em seção analógica e seção digital. Esse tipo de layout não apenas atende ao requisito de ground analógico e digital dos fabricantes de IC que exigem baixa impedância entre eles, mas evita problemas contra EMC, como antena de loop ou antena dipolo.

Se os engenheiros tiverem dúvidas sobre a aplicação de ground uniforme no design de PCB, o layout pode ser implementado com base no método de divisão do plano de ground. No processo de design, a placa deve ser acessível a jumper com menos de 0,5 polegadas ou resistor de 0 ohm para conectar grounds divididos. Muita atenção deve ser dada ao particionamento e layout para garantir que nenhuma linha de sinal digital seja colocada acima da seção analógica e vice-versa. Além disso, nenhuma linha de sinal deve atravessar a divisão de ground ou a divisão que isola powers. Para testar as funções do PCB e seu EMC, os dois grounds devem ser conectados através de resistor de 0 ohm ou jumper e, em seguida, retestar as funções da placa e seu EMC. A comparação de resultados indica que, em todos os casos, a solução de ground uniforme é melhor do que a solução de ground dividido em termos de funções e EMC.

O design de PCB de sinais mistos é um processo complexo. Um PCB deve ser particionado em seções analógica e digital independentes e o conversor A/D deve ser colocado atravessando as seções. Para separar powers analógico e digital, a divisão entre planos de power isolados não deve ser cruzada e as linhas de sinal que precisam ser cruzadas devem ser organizadas na camada de circuito adjacente a grande área. Onde a corrente de caminho de retorno flui e como ela flui deve ser analisada para que layout adequado de componentes e regras corretas de layout sejam conformadas. Em todas as camadas de uma placa de circuito, sinais digitais só podem ser roteados em seções digitais, enquanto sinais analógicos só podem ser roteados em seções analógicas.

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