¿Cansado de que los problemas de EMI en PCB afecten tus componentes electrónicos? Aprende métodos comprobados para solucionarlos.
Asegúrate de que el diseño de tu PCB cumpla con los estándares de EMI mediante la conexión a tierra, una correcta conexión a tierra, el filtrado, la reducción de bucles, evitando ángulos de 90° y el apantallamiento.
Permíteme desglosar cada paso crítico para que puedas implementar estas estrategias en tu próximo diseño. Aprendí estas lecciones a las malas; ahora puedes evitar los errores.
¿Cómo ayuda la conexión a tierra a reducir la EMI en el diseño de PCB?
Una mala conexión a tierra casi arruina mi primer proyecto de PCB. No dejes que la conexión a tierra sea tu punto débil en cuanto a EMI.
La conexión a tierra reduce la EMI al crear una ruta de baja impedancia. Maximiza el área de tierra y utiliza capas estratégicas para obtener mejores resultados.
Por qué es importante el área de tierra
En mi primer proyecto, usé una placa de tierra diminuta y la EMI era excepcional. Los expertos afirman que cuanto mayor sea el área de tierra, mejor neutraliza las emisiones. Para placas multivoltaje, ahora utilizo este enfoque:
| Estrategia de tierra | Cuándo usar | Impacto en el costo | Reducción de EMI |
|---|---|---|---|
| Capa de tierra única | Diseños simples | Bajo | Moderado |
| Capas de tierra segmentadas | Múltiples dominios de voltaje | Medio | Alto |
| Placa de tierra completa | Alta velocidad/alta confiabilidad | Alto | Excelente |
Equilibrio entre costo y rendimiento
En una ocasión, necesité cinco capas de tierra, pero no podía permitírmelas. Dividí la placa en tres zonas de tierra, cada una con dos rieles de tensión. Esto redujo los costos en un 40% y mantuvo la EMI dentro de las especificaciones. Priorice siempre las secciones de alta velocidad al segmentar las conexiones a tierra.
¿Por qué el cableado de alimentación y tierra es crítico para la EMI?
Una vez diseñé una placa con un cableado de alimentación aleatorio; falló estrepitosamente las pruebas de EMI. Aquí le explico cómo enrutarla correctamente.
Un cableado de alimentación/tierra adecuado minimiza los bucles y la impedancia. Siga las reglas de ancho, espaciado y enrutamiento para reducir la EMI.
Principios Clave de Enrutamiento
Después de ese proyecto fallido, me apegué a estas reglas:
- El ancho importa: Hago pistas de tierra de al menos 3 mm de ancho. Para una línea de alimentación de 5 A, las uso a 5 mm para reducir la resistencia. - Enrutamiento paralelo: En una placa de audio reciente, las pistas paralelas de alimentación y tierra redujeron el ruido en un 60 % en comparación con el enrutamiento aleatorio.
- Bucles cerrados: En una placa de microcontrolador, cerrar el bucle de tierra redujo las diferencias de voltaje de 200 mV a 30 mV.
Consejos para placas multicapa
En un diseño de 4 capas, utilizo una capa como plano de tierra completo. Aquí tienes una tabla con lo que funciona para diferentes tipos de placa:
| Tipo de placa | Estrategia de alimentación/tierra | Reducción de EMI |
|---|---|---|
| 2 capas | Pistas paralelas anchas, bucles de tierra | Moderado |
| 4 capas | Plano de tierra dedicado, plano de alimentación | Alto |
| Más de 6 capas | Planos de alimentación divididos sobre planos de tierra | Excelente |
¿Cómo usar el filtrado para minimizar la EMI en la PCB?
Olvidé el filtrado en una placa WiFi: la interferencia de la señal la convirtió en un ladrillo. Los filtros son indispensables.
Utilice condensadores de desacoplamiento, filtros EMI y componentes magnéticos en las líneas de alimentación/señal para bloquear las interferencias.
Tipos de filtros y ubicación
- Condensadores de desacoplamiento: En una placa de microprocesador, colocar condensadores de 0,1 μF a menos de 5 mm de cada pin del circuito integrado redujo el ruido de alta frecuencia en un 75 %.
- Filtros EMI: En un diseño USB, un estrangulador de modo común en las líneas de datos impidió que interfiriera con las radios cercanas.
- Componentes magnéticos: Una perla de ferrita en una línea de 5 V eliminó un molesto pico de ruido de 200 MHz en mi último proyecto.
Tabla de Selección de Filtros
Utilice esta información para elegir el filtro adecuado:
| Tipo de Filtro | Ideal para | Ubicación | Costo |
|---|---|---|---|
| Condensador cerámico | Ruido de alta frecuencia | Cerca de pines de alimentación del CI | Bajo |
| Condensador electrolítico | Ondulación de baja frecuencia | Entrada de la fuente de alimentación | Medio |
| Módulo de filtro EMI | Ruido de banda ancha | Punto de entrada de línea | Alto |
| Perla de ferrita | Picos de frecuencia específicos | En líneas ruidosas | Bajo |
¿Por qué debería minimizar las áreas de bucle en el diseño de PCB?
Un bucle grande en mi primera PCB actuó como una antena, radiando suficiente EMI como para no pasar la certificación.
Los bucles actúan como antenas. Minimice el número y el área de bucles, y utilice rutas de retorno únicas para reducir la radiación.
El problema de la antena de bucle
En ese diseño fallido, un bucle de 10 mm x 10 mm radiaba a 868 MHz, directamente hacia un receptor cercano. Así es como soluciono los bucles ahora:
-
Vía de retorno única: En una placa de sensores, asegurar que cada señal tuviera un retorno a tierra redujo la radiación en un 80 %.
-
Uso de la capa de potencia: El uso de una placa de potencia en una placa de 4 capas redujo las áreas de bucle de 20 mm² a 1 mm².
-
Cálculo del área de bucle: Ahora calculo el área de bucle con esta fórmula: Área = largo x ancho. Mantenla por debajo de 1 mm² para señales de alta velocidad.
Técnicas de Reducción de Bucle
| Técnica | Cómo Funciona | Impacto en la EMI | Dificultad |
|---|---|---|---|
| Ruta de retorno única | Fuerza una ruta de tierra | Alta | Fácil |
| Planos de potencia/tierra | Crea retorno de baja impedancia | Muy alta | Media |
| Señalización diferencial | Cancela la radiación de bucle | Alta | Compleja |
¿Por qué evitar ángulos de 90° en las pistas de PCB?
Una PCB con esquinas de 90° no superó la prueba de EMI; esos ángulos son puntos calientes de radiación. He aquí el porqué.
Los ángulos de 90° aumentan la capacitancia y la impedancia, causando reflexiones y EMI. Utilice ángulos o arcos de 45° en su lugar.
La ciencia detrás de los ángulos de esquina
En un diseño de alta velocidad, una esquina de 90° cambió la impedancia de la pista de 50 Ω a 70 Ω, lo que provocó una reflexión de la señal del 30 %. Al cambiar a dos ángulos de 45°, se solucionó. Esto es lo que ocurre:
- Aumento de la capacitancia: Las esquinas de 90° añaden capacitancia adicional, lo que ralentiza las señales.
- Desajuste de impedancia: Esto provoca reflexiones de la señal, que generan interferencias electromagnéticas (EMI).
- Aumento de la radiación: Las esquinas agudas actúan como pequeñas antenas, radiando energía.
Opciones de diseño de esquinas
| Tipo de esquina | Cambio de impedancia | Nivel de radiación | Facilidad de diseño |
|---|---|---|---|
| Ángulo de 90° | Alto (20-30%) | Alto | Fácil |
| Ángulo de 45° | Bajo (5-10%) | Bajo | Medio |
| Arco (curvo) | Insignificante | Muy bajo | Difícil |
Ahora uso ángulos de 45° por defecto. Para señales críticas (como HDMI), me tomo el tiempo de enrutar los arcos; vale la pena para pasar las pruebas de EMI.
¿Cómo combaten los cables y el blindaje la EMI de la PCB?
Los cables sin blindaje convirtieron mi robot en un inhibidor de interferencias. Un cableado adecuado es la mitad de la batalla contra la EMI.
Utilice cables de par trenzado o blindados, conecte los blindajes a tierra correctamente y añada blindajes físicos para contener la EMI.
Tipos de cables y usos
- Par trenzado: En un registrador de datos, los cables de par trenzado reducen la diafonía en un 90 % en comparación con los cables planos.
- Cables blindados: Un cable USB 3.0 blindado evitó que mi placa interfiriera con un módulo Bluetooth.
- Cables coaxiales: Para señales de RF, nada supera al cable coaxial. Aprendí esto después de que una antena de 2,4 GHz fallara sin él.
Mejores prácticas de blindaje
| Tipo de blindaje | Cómo usarlo | Reducción de EMI | Costo |
|---|---|---|---|
| Blindaje del cable | Conecte a tierra ambos extremos para RF; un extremo para audio | Alto | Medio |
| Carcasa metálica | Encierre las secciones de alta EMI y conecte a tierra completamente | Excelente | Alto |
| Capa de blindaje de la PCB | Añada una capa de blindaje sobre las pistas sensibles | Bueno | Bajo |
En un proyecto con drones, un blindaje metálico alrededor del controlador de vuelo redujo la EMI lo suficiente como para mantener las señales GPS fuertes, lo cual es crucial para vuelos seguros.
Conclusión
Siga estos seis pasos (conexión a tierra, cableado, filtrado, reducción de bucles, diseño de esquinas y blindaje) para que su PCB cumpla con las normas EMI.
