Diseño De Placas De Circuito Impreso Para La Compatibilidad Electromagnética - ¡Lo Que Necesitas Saber!

Una de las áreas clave del diseño de un circuito con un buen rendimiento EMC es la del diseño de la placa de circuito impreso. El diseño de PCB para EMC puede permitir que una placa de circuito funcione bien en términos de rendimiento EMC, y para ayudar hay algunas directrices básicas que se pueden seguir para proporcionar un buen rendimiento EMC.

Aunque es posible utilizar múltiples capas para reducir el tamaño de la placa de circuito impreso, cuando se diseña una placa de circuito impreso para obtener un buen rendimiento de EMC, ésta no siempre es la ruta óptima a seguir.

El diseño de la placa de circuito impreso para obtener un buen rendimiento de la compatibilidad electromagnética puede requerir que se reduzca el acoplamiento. Esto puede requerir que las señales se mantengan separadas, o que se aumente la distancia entre algunos componentes. Aunque se pueden diseñar placas de circuito impreso pequeñas con un buen rendimiento CEM, hay que tener cuidado desde el principio.

Diseño de placas de circuito impreso para la compatibilidad electromagnética: algunos aspectos básicos

Cuando se busca un rendimiento óptimo de la CEM, se suele considerar que una placa de cuatro capas es un buen equilibrio entre la disposición de la placa y el rendimiento de la CEM. Dicho esto, muchas placas con más capas pueden lograr un buen rendimiento de EMC, pero requieren un diseño muy cuidadoso para lograr ese buen rendimiento de EMC.

Los planos de tierra mejoran el rendimiento EMC

Una técnica especialmente útil es utilizar una capa de la placa como plano de tierra.

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Las vías de retorno de la señal son uno de los problemas más difíciles de resolver en las placas de circuito impreso. Puede ser difícil dirigir un retorno de tierra satisfactoriamente desde cada circuito integrado a través de otras capas de señal, etc.

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La única solución satisfactoria es utilizar un plano de tierra que proporcione una tierra común de baja inductancia y baja resistencia que pueda proporcionar un método para proporcionar una longitud de cable corta a tierra. Si se reserva una de las capas de la placa de circuito impreso para el plano de tierra, es fácil proporcionar un buen camino a tierra para cualquier señal.

Para algunas áreas sensibles puede ser necesario aislar la tierra para evitar que las corrientes de tierra fluyan a través de esa sección del circuito. Por ejemplo, puede ser necesario aislar la tierra de una sección sensible del circuito y tener una única conexión a tierra, especialmente si una sección de mayor potencia cercana puede hacer que las corrientes de tierra fluyan a través de la sección más sensible.

Rejilla para crear planos de tierra

En algunas placas de circuito impreso que pueden tener un número limitado de capas, por ejemplo, una en la que sólo se dispone de dos capas, se puede utilizar una técnica denominada "gridding" para garantizar el rendimiento de la CEM. Esta técnica es una aproximación a tener un plano de tierra en una placa de dos capas, que consiste en crear una rejilla de tierra para reducir la radiación EMI de las trazas de señal.

Básicamente, el mallado funciona creando una red de conexiones ortogonales entre las trazas que llevan a tierra. Aunque el plano de tierra no es completamente contiguo, emula suficientemente el plano de tierra que se utiliza para proporcionar las mejoras de EMC de una placa de cuatro o más capas, proporcionando una ruta de retorno a tierra bajo cada una de las trazas de señal y reduce la impedancia entre los CI principales y el área de regulación de tensión.

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El mallado se consigue mediante un proceso de ampliación de las trazas de tierra y el uso de patrones de relleno de tierra. El objetivo es crear una red de conexiones a tierra en toda la placa de circuito impreso. El gridding se consigue ampliando las líneas de tierra para rellenar todo el espacio vacío de la PCB que sea posible. A continuación, todo el espacio vacío restante se rellena con tierra.

De este modo, se rellena con la rejilla de tierra la mayor parte posible del espacio disponible de la PCB, permitiendo al mismo tiempo realizar conexiones en la capa.

Zonificación de la PCB

La creación de diferentes zonas en una placa de circuito impreso es otra técnica de diseño útil para mejorar la compatibilidad electromagnética y el ruido en general.

La zonificación de la placa de circuito impreso es, en esencia, un proceso de planificación en el que se define la ubicación general de los componentes para las distintas áreas del circuito antes de colocar cualquier traza.

La zonificación de PCB no sólo coloca funciones similares en una placa en la misma área general, en lugar de mezclarlas, sino que también tiene en cuenta la velocidad de las señales en un área determinada y busca la ubicación óptima.

Se tiene en cuenta la longitud de las líneas que pueden irradiar o captar más ruido. Por ejemplo, una idea común es colocar la lógica de alta velocidad, incluidos los microcontroladores, cerca de la fuente de alimentación. De este modo se facilita el desacoplamiento de las líneas y se reduce la longitud de las líneas o trazas que pueden irradiar o captar ruido.

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Las funciones de la PCB que no son tan críticas y que tienen formas de onda más lentas se sitúan más lejos. Por lo general, las secciones analógicas de la placa se sitúan aún más lejos, ya que normalmente transportan señales de menor frecuencia. Planificar las áreas de la placa de esta manera puede tener un impacto importante en el rendimiento de la placa de circuito impreso en cuanto a la compatibilidad electromagnética.

Herramientas de diseño de placas de circuito impreso

Las herramientas de diseño de placas de circuito impreso son cada vez más sofisticadas. Incluso las de gama baja son capaces de ofrecer muchas funciones que hasta hace poco sólo se encontraban en los paquetes de software de gama muy alta.

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Algunas herramientas de diseño de placas de circuito impreso pueden ayudar a diseñar para obtener un buen rendimiento de la compatibilidad electromagnética. Utilice al máximo las herramientas que se le proporcionen. El uso de las herramientas permitirá obtener el mejor rendimiento EMC del diseño de la placa de circuito impreso.

Otras precauciones para el diseño de placas de circuito impreso con compatibilidad electromagnética

Existen otros puntos comunes para mejorar el rendimiento de la CEM de la placa de circuito impreso.

• Osciladores: Hay que tener cuidado a la hora de ubicar y diseñar la disposición de los osciladores. Todos los bucles de tanque de los osciladores deben situarse lejos de los circuitos analógicos, las señales de baja velocidad y los conectores. Esto se aplica tanto a la placa como al espacio dentro de la caja que contiene la placa.
• Conjuntos de cables del sistema: Otro punto clave es diseñar el sistema global de forma que los conjuntos de cables no pasen cerca de un oscilador o de una zona que incluya lógica de alta velocidad, incluido un microordenador tras el montaje final. Los conjuntos de cables pueden captar y transportar el ruido alrededor de la unidad global y, de este modo, degradar el rendimiento de la CEM.
• Mantenga las líneas de alta velocidad/ruido alejadas del borde de la placa de circuito impreso: Otro buen consejo es alejar las líneas ruidosas o de alta velocidad del borde exterior de la placa. Mantener las líneas no ruidosas alejadas de las zonas de la placa en las que podrían captar ruido, como los conectores, los circuitos de oscilación, los relés y los controladores de los relés, también ayuda a reducir el problema.
• Filtrado: En algunos casos puede ser necesario filtrar ciertas líneas. Las bolas de ferrita suelen ser un método sencillo para limitar las señales de alta frecuencia, y es necesario un buen desacoplamiento en la placa, especialmente en las líneas de alimentación.
• Conectores filtrados: En algunas placas de circuito impreso puede ser necesario utilizar conectores filtrados para eliminar el ruido. Cuando se hace esto, la conexión a tierra del conector es importante. Debe ser posible conectarlo firmemente a tierra con la placa de circuito impreso y el chasis.

Muchos de los problemas de EMC pueden eliminarse con un buen diseño de la placa de circuito impreso. De hecho, el diseño de la placa de circuito impreso en función de la compatibilidad electromagnética es siempre una buena práctica y puede evitar muchas investigaciones que requieren mucho tiempo y costosas modificaciones.

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Si se requiere un retrabajo tardío en el ciclo de diseño, es considerablemente más costoso que si se incorpora al diseño desde el principio. El diseño de placas de circuito impreso para la compatibilidad electromagnética es, por tanto, una de las claves del éxito del diseño.