En el siguiente artículo la compañía Freescale Semiconductor publica algunas técnicas que al implementarse en el desarrollo de tablillas eléctricas mejoran el performance ante interferencias electromagnéticas.
(Artículo Contribuido / Tania Martinez - Freescale Semiconductor).- La creciente demanda de artículos electrónicos que sean inmunes a las interferencias electromagnéticas ya sea por requerimiento de alguna de las certificaciones internacionales (FCC, CE) o por requerimientos de la aplicación para la cual fue diseñado, ha llevado que los desarrolladores pongan atención en el desarrollo de sus tablillas eléctricas o a incluir componentes de filtraje los cuales llegan a incrementar el costo de la aplicación. Este artículo les muestra algunas técnicas que si se implementan en el desarrollo de su tablilla les mejora el performance ante estos eventos.
1. Definición y principios básicos
1.1 Definiciones
Una buena manera de comenzar a entender los efectos que producen las interferencias electromagnéticas es familiarizándonos con las definiciones, nomenclatura y anotaciones. Los términos que se utilizan varían a través de la industria a la cual van enfocados nuestros productos. Algunos de los términos más comúnmente usados son los siguientes:
El Termino Compatibilidad electromagnética (EMC) es la habilidad de algún equipo electrónico o sistema a funcionar satisfactoriamente en un ambiente con ruido electromagnético y sin generar alguna interferencia electromagnética en cualquier ambiente. (IEV 161-01-07)
1.2 Principios Básicos
Regresemos a los orígenes del electromagnetismo, Es necesario empezar a desarrollar nuestras tarjetas desde la perspectiva del campo eléctrico y el campo magnético. Partiendo de las ecuaciones de Maxwell se definen los siguientes conceptos.
1.2.1 Campo Eléctrico
De la Ley de Coulomb se define al campo eléctrico como la unidad de fuerza alrededor de un conductor esférico cargado a un potencial (V) y a una carga (Q)
Tenemos 2 distintas mediciones en el campo eléctrico, el voltaje entre dos puntos define la intensidad del campo eléctrico (E Field) y un segundo llamado D field que está relacionado directamente con el desplazamiento en el campo, ambas equivalentes en un espacio vacío, la diferencia inicia cuando se introduce la constante dieléctrica (?).
 1.2.2 Voltaje y Capacitancia El Voltaje se define como el trabajo requerido para mover una unidad de carga en el campo eléctrico, el voltaje existe entre 2 conductores o dos puntos en el espacio. La diferencia de voltaje no existe si no hay presencia del campo eléctrico. |
La capacitancia es un concepto geométrico, se define por tres factores, es proporcional al área de superficie, inversamente proporcional al espacio entre las superficies y proporcional a la constante dieléctrica. El capacitor almacena energía en el campo eléctrico, esta energía se almacena en el espacio entre los dos planos paralelos, en ausencia de los 2 planos conductores la energía se almacena en el espacio.
El capacitor es un conductor geométrico que al macena la energía en el campo eléctrico, esta energía es concentrada en el espacio entre los 2 planos conductores.
1.2.3 Campo Magnético
Al igual que campo Eléctrico es proporcional al voltaje, el campo magnético es proporcional a la corriente, La ley de Amperes define que la integral de la intensidad del campo magnético (H) en un loop cerrado alrededor de conductor es igual a la corriente en ese loop.
Tenemos 2 distintas mediciones en el campo magnético, El Campo H (excitación magnética) y el campo B (inducción magnética), ambas equivalentes en el vacío, salvo cuando se introduce la variable de permeabilidad relativa.
1.2.4 Corriente e Inductor
La corriente eléctrica se define como el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un conductor.
La inductancia se define como la cantidad de campo magnético generado por unidad de corriente. Partiendo de la ley de Faraday se define la inductancia
El inductor es un conductor geométrico que concentra la energía en el campo magnético, la energía es concentrada en el espacio alrededor del cable y en los gaps.
1.2.5 Poynting’s vector
La transferencia de las señales eléctricas requieren de ambos campos (Eléctrico y Magnético), si ambos campos están presentes la energía es llevada en el espacio o en el espacio entre 2 conductores,
1.2.6 Línea de transmisión
Se define línea de transmisión a:
- Par de conductores.
- En la tablilla a trazo – trazo o trazo – planos de potencia.
Eléctricamente se define como:
Considere la Fuente (V1), el Switch (S1) y la línea de transmisión de la figura anterior, en el momento que switch se cierra aparece el campo eléctrico en un primer instante se tiene voltaje en el capacitor que lleva a un desplazamiento de corriente lo cual induce un campo magnético en el inductor, en el siguiente instante en el tiempo se vuelve a producir un incremento en la carga del capacitor llevando a que se genere un incremento en el campo magnético (wave action). Este efecto produce que la energía se desplaza llenado el espacio en la línea de transmisión (Campo eléctrico, campo magnético).
Resumiendo, un cambio en el voltaje del capacitor significa que el campo eléctrico está cambiando y que una corriente esta fluyendo si lo vemos desde un espacio seria un cambio en el campo eléctrico es el desplazamiento de la corriente y esta corriente crea un campo magnético.
Propiedades de una línea de transmisión,
- Dirigen la energía
- La energía se concentra entre los 2 conductores
- La energía es entregada hasta los terminadores
- Pueden transportar ‘x’ cantidad de señales al mismo tiempo en cualquier dirección.
En un buen diseño los campos asociados a diferentes señales no comparten el mismo espacio físico, si comparten el mismo espacio se produce “crosstalk”.
Es usual referirse a que la corriente fluye a través del conductor, ahora considerando la definición de Voltaje, Corriente y línea de transmisión sabemos que los conductores no transportan, ni almacenan la energía, la energía es almacenada por los campos eléctrico y magnético, estos mismos campos son los responsables de transportar la energía. Los conductores no dan la dirección que debe seguir esta energía.
Resumiendo, un cambio en el voltaje del capacitor significa que el campo eléctrico está cambiando y que una corriente esta fluyendo si lo vemos desde un espacio seria un cambio en el campo eléctrico es el desplazamiento de la corriente y esta corriente crea un campo magnético.
Propiedades de una línea de transmisión,
- Dirigen la energía
- La energía se concentra entre los 2 conductores
- La energía es entregada hasta los terminadores
- Pueden transportar ‘x’ cantidad de señales al mismo tiempo en cualquier dirección.
En un buen diseño los campos asociados a diferentes señales no comparten el mismo espacio físico, si comparten el mismo espacio se produce “crosstalk”.
Es usual referirse a que la corriente fluye a través del conductor, ahora considerando la definición de Voltaje, Corriente y línea de transmisión sabemos que los conductores no transportan, ni almacenan la energía, la energía es almacenada por los campos eléctrico y magnético, estos mismos campos son los responsables de transportar la energía. Los conductores no dan la dirección que debe seguir esta energía.
2. Técnicas para mejorar el performance a eventos de EMC
Es preciso puntualizar que no hay magia en mejorar la respuesta a interferencias electromagnéticas, si se conoce que la energía es llevada en el espacio entre los conductores o alrededor de ellos en el campo eléctrico y magnético, y que el movimiento de esta energía requiere la presencia de ambos campos, que el propósito de los conductores es darle una a esta energía.
De lo anterior es fácil visualizarse el camino de la corriente en la aplicación, recuerden el propósito de los conductores es direccionar la ruta de ambos campos, por lo tanto es recomendable el tratar ahora los trazos de señales en el PCB como líneas de transmisión (Signal / return path).
A continuación se lista algunas consideraciones a tomarse en cuenta en el desarrollo de la aplicación, todas ellas partiendo de la declaración:
“La energía se mueve en el espacio entre los conductores o alrededor de los conductores”
2.1 Revisión de esquemáticos y localización de componentes
Al asignar la localización de los componentes en la tablilla se recomienda la siguiente secuencia:
- Colocar los conectores
- Colocar los filtros, estos deben estar lo más cercano a los pines.
- Fuente de poder
- Los componentes deben estar los más cercanos al conector
- Reguladores de Voltaje
- Elementos de conmutación
- Capacitores en el correcto orden, colocar anotación en el esquemático de la ubicación.
- El resto de los componentes se tienen que agrupar de acuerdo a su función
- Fuente
- Sensores
- Señales digitales
- Coloque los componentes evitando el cruce de señales
- Ruteo de las señales de voltaje solo donde se necesiten
- Ruteo de las señales de sensado solo donde se utilicen
- Señales digitales solamente en el área asignado para el procesamiento
Al tomar en cuenta estas consideraciones nos lleva a tener trazos más cortos, los caminos de retorno de señal identificados. Recuerde no rutear las señales donde no se necesitan, esto ayuda a no tener problemas de crosstalk o interferencias.
| Al revisar el esquemático es importante que todos los nets esta identificados: - GPIO en el microcontrolador - A/D señales en el microntrolador - Bus de direcciones y de datos de las memorias. Al tener los net identificado reduce la complejidad al empezar el layout, reduce el largo de los trazos al saber a qué dominio pertenece el net. |
2.2 Asignación de las señales en los conectores (Pin Assignment)
Cuando se realiza la asignación de de las señales en los conectores pocas veces se toma en cuenta el darles un camino de retorno, muchas veces debido a que el que el cablado ya se definió, el asignar las señales de retorno en los conectores produce una mejora ante las interferencias electromagnéticas. A continuación se da una guía para asignar las señales en un conector:
- Clasifique las señales por prioridad – Las señales mas criticas son las de mayor prioridad y así consecutivamente.
- Etiqueta A – Señales criticas, estas deben estar adyacentes a la referencia de tierra
- Etiqueta B – Señales de prioridad media, estas pueden estar adyacentes en diagonal a la referencia de tierra
- Etiqueta C – Señales de baja prioridad, estas puede estas a una posición de distancia de la referencia a tierra.
Importante: Las fuente debe asignarse junto su referencia de tierra, se debe trazar en pares y lo más cerca posible. El elemento de filtraje se debe colocar lo más cerca posible al conector.
2.3 Ruteo de las líneas de transmisión
Identificar el camino de retorno de cada una de las señales, ya se que el retorno sea un trazo de la referencia de tierra o un plano de potencia. Cualquier desviación a esta regla incrementa las emisiones radiadas, degrada las señales y incrementa la susceptibilidad de la aplicación a las interferencias electromagnéticas.
En un buen diseño los campos asociados a diferentes señales no comparten el mismo espacio físico, si comparten el mismo especio se produce “crosstalk”.
El rutear las señales como “triplets” (Señal-GND-Señal) provee de un muy buen acoplamiento.
Los pines y los “wire bonds” internos del microcontrolador se consideran líneas de transmisión también, por lo tanto se recomienda el tener un mini plano debajo del componente para proporcionar el retorno de la señal. Las referencias de tierra de los “triplet” pueden ser fácilmente acopladas al mini plano.
2.4 Otras consideraciones
2.4.1 Coloque planos de referencia en los espacios no utilizados.
2.4.2 Use el mínimo espacio de distanciamiento entre las líneas de transmisión. Evaluar con el fabricante de la tarjeta las capacidades de manufactura.
2.4.3 Stack-up.
4 Layers Board
- Tener 2 layers para el core, L2 y L3.
- L1 y L4 deben ser adicionando “pre-pre layers” y “copper foil”
- Buscar el acoplamiento máximo entre los layers L1 a L2 y de L3 a L4
2.4.4 Usar planos de potencia como retorno de señales, tanto el plano de power como el de GND pueden ser utilizados para referencia, tomando en cuenta que para las señales críticas se recomienda que estén referenciadas al plano de GND.
2.4.5 El cambiar la referencia de un plano (GND) a otro plano (Power) con diferente potencial requiere utilizar un capacitor de “bypass” como puente.
2.4.6 Nunca, nunca use diferentes referencias de tierra (GND, AGND, etc...), solamente si es requerido por el cliente o por alguna especificación. En el caso de tener diferentes referencias de tierra evite que los trazos crucen entre los planos.
3. Apéndice
3.1 Apéndice A – EMC estándares
3.2 Apéndice B – EMC Métodos de prueba
3.3 Apendice C – Radiated (aire)/Conducted (medio fisico), Emissions (sale)/Susceptibility (entra)
4. Referencias
4.1 Bibliografia
4.1.1Introduction to Electromagnetic Compatibility - Clayton R. Paul (John Wiley and Sons) - ISBN 0-471-54927-4
4.1.2 EMC for Product Engineers - Tim Williams (Newnes Publishing) - ISBN 0-7506-2466-3
4.1.3 Grounding & Shielding Techniques - Ralph Morrison (5th Edition - John Wiley & Sons) - ISBN 0-471-24518-6
4.1.4 PCB Design for Real-World EMI Control - Bruce R. Archambeault (Kluwer Academic Publishers Group) - ISBN 1-4020-7130-2
4.1.5 Digital Design for Interference Specifications- A Practical Handbook for EMI Suppression - David L. Terrell & R. Kenneth Keenan (Newnes Publishing) - ISBN 0-7506-7282-X
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