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Sondas de campo magnético para la detección de
problemas EMI en PCB
Javier Gago, David Gonzalez, Josep Balcells
Universidad Politécnica de Catalunya. Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona y de Industriales de Terrassa
C/ Gran Capità s/n Edif. C4 08034 Barcelona y C/ Colon, 11 08222 Terrassa
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Existen sondas que miden el campo magnético y eléctrico a
la vez pero cuyo sensor es una espira de más de 5 cm,
resolución insuficiente para el tamaño típico de los
componentes de una PCB [2]. Sin embargo, si lo único que
se desea es detectar el componente ruidoso es suficiente con
disponer de una sonda de campo magnético solamente.
Resumen
Se describe el diseño y la implementación de una sonda de
campo magnético de 5 mm de resolución y 200 MHz de
ancho de banda así como el circuito de test para su
comprobación
En [3] se describe una sonda pasiva de campo magnético
que denominan EMI sniffer probe y consta de un sensor
magnético, realizado mediante un hilo bobinado y un
apantallamiento eléctrico, conectado, mediante una
resistencia de 50 Ω a un cable coaxial, que a su vez se
conecta con el osciloscopio. La resolución espacial es de 1
mm pero el ancho de banda es de sólo 80 MHz.
La sensibilidad y resolución de la sonda se comprueba
comparando los resultados de la medida del campo
magnético originado por una PCB digital con los de una
sonda magnética comercial.
También se describe su utilidad para medir la eficacia de
distintos tipos de condensadores de desacoplo en el bus de
alimentación de dicha PCB.
En [4] se describe otra sonda activa de campo magnético
consistente en una espira implementada en una PCB
conectada a una etapa amplificadora. El ancho de banda es
de 200 MHz, pero la resolución espacial es de 12 cm.
1. Introducción
Existen dos formas para medir el campo originado por los
componentes de una PCB: medir el campo lejano mediante
una antena o celda GTEM [1] o medir el campo próximo
mediante sondas de campo próximo.
En este trabajo se describe el diseño y la implementación de
una sonda activa de campo magnético de 5 mm de
resolución y 200 MHz de ancho de banda adaptada a un
osciloscopio o analizador de espectros de 50 Ω de
impedancia de entrada.
La primera se utiliza para conocer la radiación de la PCB en
su conjunto, lo cual puede ser útil para comprobar si
cumple la normativa de emisión de compatibilidad
electromagnética. Para ello es necesario disponer de una
cámara anecoica o semianecoica y realizar las medidas
siguiendo un criterio especificado en la normativa.
Se compara la resolución y sensibilidad con las de una
sonda comercial y se muestra su utilidad a la hora de
verificar la eficacia de los condensadores de desacoplo en
una PCB digital.
Pero si lo que se desea es utilizar la información del campo
eléctrico y magnético para descubrir los componentes más
ruidosos y para obtener las zonas de mínimo campo de la
PCB donde se puedan ubicar los componentes más
susceptibles, el método más adecuado es la medición
mediante sondas de campo próximo.
SONDA ACTIVA
Identifica componentes y rechaza
EMI de componentes vecinos
E
Las medidas con sondas de campo próximo permiten
identificar componentes fuentes de EMI siempre que
dispongan de una resolución espacial inferior al tamaño de
los componentes y tengan un elevado rechazo al campo
lateral proveniente de componentes vecinos. Las sondas
pasivas consistentes en pequeñas espiras están bastante
limitadas en ambas características.
SONDA COMERCIAL
ANTENA
Se acopla EMI de los
Componentes vecinos
No permite identificar
componentes de la PCB.
+
+
Por tanto, para la detección de problemas EMI en una PCB
se debe utilizar una sonda activa con suficiente resolución
espacial. En la Fig. 1 se muestra los tres tipos de
instrumentos para la medida del campo originado por un
componente de una PCB observándose que la sonda activa
es la mejor opción para detectar componentes ruidosos.
Fig. 1. Medidas de campo en una PCB
39
Fig. 3. Circuito equivalente de la sonda activa de campo
magnético y su función de transferencia
2. Diseño de la sonda
La sonda consta de dos partes: el sensor de campo
magnético y una etapa amplificadora. El sensor de campo
magnético consta de un sensor de corriente como el descrito
en [3] y que se muestra en la Fig. 2. Está compuesto por un
hilo bobinado formando 20 espiras de un radio 2.5 mm. El
hilo tiene un espesor de 0.1 mm. y la bobina así formada
presenta 1.5 cm de longitud. Para evitar interferencias de
campo eléctrico sobre el sensor, el hilo bobinado se cubre
con un cilindro metálico, pero no magnético, conectado a la
masa de la sonda, al que se conecta también un extremo del
sensor. La inductancia del sensor se ha medido con el
medidor de impedancias descrito en [5], y da un resultado
de 920 nH.
Para que la relación entre la tensión de salida y el campo
magnético no dependa de la frecuencia se debe asegurar que
se está trabajando en la zona plana. Para ello se precisa una
frecuencia de corte muy pequeña, lo cual quiere decir que la
etapa amplificadora debe presentar una impedancia de
entrada ( RC ) pequeña. El amplificador utilizado es un
OPA650 configurado como amplificador de corriente por
tener dicha configuración, una impedancia de entrada casi
cero. Tal como se muestra en el esquema de la Fig. 4, la
ganancia se puede ajustar mediante la resistencia R1.
R1
Hilo bobinado
_
L
Coaxial 50Ω
Cilindro metálico
+
50Ω
V0
OPA650
Fig. 4. Amplificador de corriente usado para la sonda
En la Fig 5 se puede contemplar una vista de la sonda de
amplitud ( la sonda de derivada tiene el mismo aspecto ).
Fig. 2. Descripción del sensor magnético
El amplificador cumple dos funciones: una es amplificar la
señal procedente del sensor y otra es conseguir una función
de transferencia plana en la banda de frecuencias de
funcionamiento. En la Fig. 2 se muestra el circuito
equivalente del conjunto sensor-amplificador y su función
de transferencia, T(s), definida como la relación entre la
tensión de salida de la sonda y la amplitud del campo
magnético medido.
La expresión de la función de transferencia es:
T(s ) =
V0 (s ) kAR C
s
=
B(s )
L s + RC L
(1)
La frecuencia de corte de T(s) es:
Fig 4. Vista de la sonda de amplitud de campo magnético
fC=RC/2πL
B
L
(2)
VC
A
V0
Ls
RC
+
RC
3. Circuito de test y comprobación
V0
VC
Para comprobar el funcionamiento de las sondas, se ha
diseñado un circuito de test parecido al utilizado para la
comprobación del sensor de corriente de [4], y que se
describe en la Fig. 5
+
A VC
El circuito de test se ha diseñado procurando que el sensor
no capte el campo magnético presente en el ambiente. Para
ello se ha utilizado una bobina a la que se le inyecta una
corriente procedente de un generador de seguimiento
sincronizado con el analizador de espectros. En su interior
se coloca la sonda, de manera que el sensor se sitúe
exactamente en el centro de la bobina y capte el campo
magnético creado en el interior de la bobina, que es
proporcional a la corriente que lo atraviesa. Con el
analizador se mide, en primer lugar, la corriente a partir de
la tensión que cae en la resistencia del circuito de test, Rb, y
en segundo lugar la tensión a la salida de la sonda.
ksB(s)
T=V0/B (dB)
ωC
log (ω)
40
Generador
Seguimiento
se mide una zona de la PCB mientras la EM no, con lo que
se puede usar como identificador de componentes ruidosos
dentro de una PCB.
Analizador
Espectros
50Ω
50Ω
Vo
50Ω
Vi
Lb
Analizador
Espectros
Vo
50Ω
Rb
Fig. 5. Circuito de test para la comprobación experimental del
funcionamiento de las sondas.
Con MATLAB se obtiene la función:
F(s) = Vo(s)/I(s)
(3)
La expresión (3) coincide, salvo una constante de
amplificación, con T(s). En la Fig. 6 se muestra la medida
de F(w). Se puede observar que el ancho de banda es de
220 MHz. Además, como el sensor tiene 5 mm de diámetro,
la sonda tiene una resolución espacial suficiente para
detectar los componentes que originan problemas EMI en la
PCB.
Fig. 7. PCB del sistema microprocesador con las sondas pasiva y
activa sobre el microprocesador.
Función de transferencia Ta(f) de la sonda de amplitud de campo magnético
20
10
20 log Ta(f)
0
-10
-20
-30
-40
7
10
10
Fig. 8. Medidas de las EMI procedentes del microprocesador y de
la EPROM realizadas con la sonda pasiva y activa
8
frec (MHz)
Fig. 6. Medidas de las funciones de transferencia de las sondas
de amplitud (a) y de derivada (b).
4. Comparación con sondas pasivas
Se han realizado medidas con la sonda activa en un sistema
microprocesador sobre PCB sin plano de masa y se han
comparado con las obtenidas con una sonda pasiva
comercial de Electro-Metrics ( Fig. 7 ).
Las medidas sobre el microprocesador son muy parecidas
con ambas sondas y reflejan los armónicos de las señales
digitales que se manejan ( 2 MHz) tal como se muestra en la
Fig. 8 . Sin embargo, las medidas sobre el circuito de reloj
de 11 MHz revelan que, mientras con la sonda comercial se
captan los armónicos de 2 MHz procedentes del
microprocesador ( Fig. 9 ), con nuestra sonda tan sólo se
captan los armónicos de 11 MHz originados por la emisión
del reloj ( Fig. 10 ). Esto quiere decir que nuestra sonda es
capaz de anular las EMI de un componente vecino cuando
Fig. 9. Medidas de las EMI procedentes del circuito de reloj
realizadas con la sonda pasiva
41
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
x 10
7
Fig. 11. Medidas del campo magnético originado por el bus de
alimentación sin condensador de desacoplo
Fig. 10. Medidas de las EMI procedentes del circuito de reloj
realizadas con nuestra sonda activa
35
5. Eficacia de los condensadores de desacoplo
30
25
El bucle formado por la pista de alimentación y su retorno o
masa se comporta como una pista radiante que emite campo
magnético siempre y cuando la corriente que transporte sea
variable en el tiempo. En principio, la corriente de
alimentación es una corriente continua pero el consumo de
los componentes de conmutación provocan picos de
corriente que circulan por el bus de alimentación. Estos
picos de corriente provocan por un lado transitorios en la
tensión de alimentación debido a que las pistas se
comportan como inductancias, y por otro campo magnético
en el entorno del bucle de alimentación. Tanto los
transitorios de tensión como el campo magnético pueden
causar EMI en los componentes vecinos.
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
x 10
Fig. 12. Medidas del campo magnético originado por el bus de
alimentación con condensador de 100 nF
Para reducir estas EMI se colocan condensadores de
desacoplo entre la pista de alimentación y la de masa. Esta
reducción se puede medir obteniendo los valores de los
transitorios de tensión antes y después de colocar el
condensador o bien midiendo el campo magnético en el
entorno del bucle antes y después. La primera medida es
invasiva ya que se debe insertar un osciloscopio entre las
dos pistas. Además, no es posible obtener medidas de
frecuencia ya que se precisa de un adaptador para poder
conectar el analizador de espectros a una tensión de
alimentación. Por tanto, una medida sencilla de realizar es
la del campo magnético.
25
20
15
10
5
0
En la Fig. 11 se ha medido el campo originado por el bus de
alimentación sin poner condensador de desacoplo. A
continuación se ha insertado un condensador de 100 nF
observándose que la reducción es prácticamente nula tal
como se observa en la Fig. 12. Por último, en la Fig. 13 se
muestra que con un condensador de 1 µF se reduce la EMI
en la banda baja de 0 a 2 MHz entre 5 y 10 dB.
-5
-10
-15
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
x 10
7
Fig. 13. Medidas del campo magnético originado por el bus de
alimentación con condensador de 1 µF
Hay que notar que no solo influye en la reducción de la
EMI el valor del condensador sino también su tipo.
Mediante medidas con esta sonda activa se puede averiguar
cual es el tipo de condensador y el valor más adecuado para
cada caso.
42
6. Conclusiones
Se ha diseñado, construido y probado una sonda activa de
campo magnético próximo con un ancho de banda de 220
MHz y una resolución de 5 mm, por lo que es útil para
detectar, de manera rápida, los componentes o los bucles de
pistas radiantes de una PCB, a través de la medida del
campo magnético presente en el entorno.
Sobre una PCB digital de muestra se ha comprobado que
una sonda pasiva comercial es incapaz de distinguir la
emisión procedente de un microprocesador y del circuito de
reloj situado próximo a él mientras que con nuestra sonda
activa sí que ha sido posible.
Por último, se ha expuesto una aplicación de la sonda como
medidor de la eficacia de los condensadores de desacoplo,
comprobando que en la PCB de muestra se debe insertar un
condensador de 1 µF ya que con uno de 100 nF la
reducción de la EMI procedente del bus de alimentación es
prácticamente nula.
Referencias
[1] S. Caniggia, V. Costa, L. Vitucci, “Investigation of EMI on
multilayer printed circuit boards: radiated emissions”, IEEE
Intern. Symp on Electrom. Compat. 1996, pp. 316-321.
[2] S. Tofani, P. Ossola, G. D’Amore, L. Anglesio, M. Kanda,
D.R. Novotny, “A three-loop antenna system for performing
near-field measurements of electric and magnetic fields from
video display terminals”, IEEE Transactions on
Electromagnetic Compatibility, Vol. 38, nº 3, Aug. 96, pp
341-347.
[3] B. Carsten, “Sniffer probe locates sources of EMI”, EDN
Magazine, 141-147 (Junio, 1998).
[4] M.A. Stuchly, H. Le Poncher, D.T. Gibbons, A. Thansandote,
“Active Magnetic Field Sensor For Measurement of
Transients”, IEEE Transactions on Electromagnetic
Compatibility, Vol. 33, nº 4, Nov 91.
[5] Gago, J; Balcells,J; González,D; “Método experimental de
medida de impedancias con analizador de espectros”,
SAAEI 99. Madrid , Sept. 1999, pp 623-626.
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