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Técnicas de diseño para
Compatibilidad
Electromagnética
“En teoría, teoría y práctica son lo mismo. En la
práctica, no lo son” - A. Einstein.
Agenda
● ¿Qué es compatibilidad electromagnética
(EMC)?
○ Elementos de un problema
● Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno
de señal
● Acoplamiento radiado: Blindaje
● Problema: Diseño de PCB
● Aplicación: Circuitos de señal mixta
¿Qué es EMC?
“Es una rama de las ciencias eléctricas
dedicada al estudio de la generación no
intencional de energía electromagnética en
referencia a efectos no deseados que dicha
energía puede producir” - Wikipedia
¿Qué es EMC?
En realidad es...
¿Qué es EMC?
¡¡¡Unos cuantos mV en el generador pueden
hacer que se supere los límites permitidos en la
emisión radiada según norma CISPR clase B!!!
EMC:
Elementos del problema (1)
Dónde empezar...
Fuente
Acoplamiento
Víctima
Rayos
Cables
Circuito Integrado
Transmisor de RF
Antenas
Receptor de RF/Audio/Vídeo
Pista de alta velocidad
Tierras comunes
Pista de alta velocidad
Motor eléctrico
Líneas de alimentación
Teléfonos
Arcos
Capacidades parásitas
Controles electrónicos
Displays
Inductancias parásitas
Displays
...
...
...
EMC:
Elementos del problema (2)
Emisión y susceptibilidad
Víctima
Fuente
Acoplamiento
Acoplamiento
EMISIÓN
Fuente
Víctima
SUSCEPTIBILIDAD
Rayos
Cables
Circuito Integrado
Dado que el acoplamiento es bidireccional,
en general las mismas
técnicas
resuelven
problemas de emisión y Antenas
susceptibilidad.
Transmisor
de RF
Receptor de RF/Audio/Vídeo
Pista de alta velocidad
Tierras comunes
Pista de alta velocidad
Está regulado:
Motor
Líneas de alimentación
Teléfonos
- eléctrico
Niveles de emisión:
- Una fuente no puede
emitir más de una cierta energía
Arcos
Capacidades parásitas
Controles electrónicos
- Niveles de susceptibilidad:
Displays - Una víctima tiene que
Inductancias
parásitas
Displays
tolerar al
menos un cierto valor de
interferencia
...
...
...
EMC:
Elementos del problema (3)
¡Atacar el verdadero problema!
Acoplamiento Radiado
Fuente
Acoplamiento Conducido
Acoplamiento
Víctima
Rayos
Cables
Circuito Integrado
Transmisor de RF
Antenas
Receptor de RF/Audio/Vídeo
Pista de alta velocidad
Tierras comunes
Pista de alta velocidad
Motor eléctrico
Líneas de alimentación
Teléfonos
Arcos
Capacidades parásitas
Controles electrónicos
Displays
Inductancias parásitas
Displays
...
...
...
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Anécdota: Uno de los primeros problemas de
EMC, se lo toparon en IBM:
No funciona: ¿Por qué?
Conector de datos de 8 bits
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Análisis en frecuencia:
- El camino más directo para la RF no es el
obvio, sino el de menor Z.
L!
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Ejemplos:
¿Por dónde vuelve la
corriente en cada
frecuencia?
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Ejemplos:
¿Por dónde vuelve la
corriente en cada
frecuencia?
Continua
Alta frecuencia
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Regla 1:
¡La corriente siempre retorna a SU fuente!
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
Regla 2:
El camino de retorno depende de la frecuencia
(impedancia…)
Densidad de corriente de una línea sobre un plano de “masa”:
a.) para alta frecuencia - b.) para continua
Acoplamiento conducido:
Tierra vs. Retorno de señal
De la Regla 1 y 2 surge:
Densidad de corriente de una línea sobre un plano de “masa”:
a.) para alta frecuencia - b.) para contínua
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Es lo más común de encontrar...
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Pero es “caro” (¡no solo en costo!)
- Dificultad en la fabricación/ensamblado
- Ocupa lugar preciado
- ¡Puede no funcionar!
Entonces:
- ¿Es necesario?
- ¿Qué material uso?
- ¿Qué geometría?
- ¿Qué espesor?
- ¿...?
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Hay que saber… ¡A repasar electromagnetismo!
Acoplamiento radiado:
Blindaje
En ecuaciones (resumidas):
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Intentando ver qué implica esto:
- Recordando que para buenos conductores
- Y como para estos materiales
, queda:
:
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Entonces si definimos el coeficiente de
efectividad del blindaje queda:
O lo que es lo mismo:
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Ejemplo:
- Blindaje de cobre de 2 mils (50.8 μm)
@100MHz :
En la vida real, magnitudes de más de 120 dB no se pueden
medir, por lo que este blindaje (@ 100 Mhz) no es mejor en
la práctica que uno que atenúe 120 dB.
Para experimentar un poco, un calculador web:
http://www.cvel.clemson.edu/emc/calculators/SE_Calculator/index.html
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Pero… ¿siempre funciona así el blindaje?
- NO.
En general nos encontramos en condiciones de
CAMPO CERCANO:
si r << λ (con r=distancia) E y B están
desacoplados
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Entonces:
- Una fuente puede pensarse como 2 fuentes independientes:
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Entonces:
- Las impedancias de onda para campo eléctrico y magnético
pueden aproximarse a:
- Y el coeficiente de reflexión queda:
Aunque esta es una aproximación, puede indicar el orden de
efectividad del blindaje.
Acoplamiento radiado:
Blindaje
Otro ejemplo:
Transformador que trabaja a 1,5 kHz y tiene un blindaje de cobre
de 1 cm de espesor y se encuentra a 10 cm.
Otro calculador web:
http://www.cvel.clemson.edu/emc/calculators/SE_Calculator/nearfieldSE.html
Problema:
Diseño de PCB
Teniendo en cuenta las 3 reglas:
1. Minimizar la longitud de las pistas de alta velocidad.
2. Separar los planos digitales de los analógicos.
3. Nunca cruzar una pista de alta velocidad sobre una
separación de planos.
¿Qué diseño es el adecuado?
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Aplicación: circuitos de señal
mixta
¿Por donde vuelve la corriente de 56 Mhz?
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Masa vs. retorno de señal:
· El propósito del plano de tierra de un sistema es proveer
un voltaje de referencia y/o un camino seguro para
corrientes de falla.
· Corrientes de señal fluyendo por un conductor de tierra
pueden evitar que el conductor sirva a su fin.
· NO confundir conductores de tierra con conductores de
retorno de señal.
· Las reglas para rutear ambos pueden entrar en conflicto.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Errores conceptuales:
· Estas son estrategias de conexionado a “tierra” no de
retorno de señal.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Masa vs. retorno de señal:
· Plano de tierra:
·Plano de retorno de señal:
· Plano de doble función:
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Masa vs. retorno de señal, conclusiones:
¡Circuitos tienen que tener
masa de alta frecuencia!
plano de
¿Por qué?
· Conductores referidos a distintos planos suelen ser buenas antenas.
· Señales referenciadas a dos planos son ruidosas (porque incluyen el ruido
entre los dos planos)
· Diseños con más de un plano suelen ser más difíciles, necesitan más espacio y
son más propensos a errores críticos.
· Excusas para requerir más planos están basadas en información vieja o
errónea.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Masa vs. retorno de señal, precauciones:
Planos de masa divididos en general se usan para controlar
los caminos de retorno de señales de baja frecuencia (< 100
kHz).
(Ej: Aislar el negativo de una batería de auto del común digital - Aislar circuitos
digitales de señales de audio)
Esto puede ser ocasionalmente necesario para impedir el
acoplamiento de impedancias comunes con circuitos de
baja frecuencia y altas corrientes.
AÚN ASÍ, es necesario que exista solo UN plano de alta
frecuencia.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Ubicación de componentes: MALA.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Ubicación de componentes: BUENA.
Aplicación: circuitos de señal
mixta
Conexión al chasis:
Los gabinetes y cables son buenas antenas si no están al mismo potencial.
Por razones de seguridad casi siempre es necesario aislarlos en baja frecuencia,
pero hay que proveer una buena conexión para alta.
Resumen
● Identificar la masa para HF y asegurarse que sea el
único plano grande o lo único conectado a algo
grande.
● No llamar a ninguna net más en el circuito “masa”,
en cambio usar “retorno”.
● Estar atento de donde fluyen las corrientes de HF y
LF.
● Aislar retornos (cortando planos) solamente cuando
sea necesario para controlar corrientes de LF
● Si se aislan planos en LF asegurarse que estén bien
conectados en HF.
Referencias!!!
● http://www.cvel.clemson.edu
● Electromagnetic Compatibility Engineering – 2009 Henry Ott
● C. R. Paul, Introduction to Electromagnetic
Compatibility, 2nd Ed., Wiley Series in Microwave and
Optical Engineering, 2006.
● http://www.learnemc.com
¿Preguntas?
M. Faraday