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EMC PCB: Diseño y consideraciones clave

Jul 1, 2023 Uncategorized
EMC PCB

La compatibilidad electromagnética (EMC) es un aspecto fundamental en el diseño de circuitos impresos (PCB), especialmente en aquellas aplicaciones críticas y con alta densidad de componentes electrónicos. EMC implica la capacidad de un dispositivo electrónico para funcionar de manera eficiente sin interferir ni verse afectado por las interferencias de otros equipos electrónicos cercanos. En el entorno actual de rápido desarrollo tecnológico, la importancia de un diseño de PCB que cumpla con los requisitos de EMC se ha vuelto más crucial que nunca.

El diseño de PCB para EMC implica varias técnicas y consideraciones, como el apantallamiento, la colocación adecuada de componentes, el enrutamiento óptimo de las pistas y la disposición de las capas de la PCB, entre otros aspectos. El objetivo es minimizar la emisión de interferencias electromagnéticas y, al mismo tiempo, mantener la sensibilidad y rendimiento del circuito ante las interferencias externas.

Un diseño de PCB que no tenga en cuenta la EMC puede provocar fallos en el funcionamiento del dispositivo, lo que a su vez, puede resultar en incremento de los costos de producción y mantenimiento de los equipos. Por lo tanto, es esencial para los diseñadores de PCB comprender los fundamentos y aplicar las técnicas adecuadas de EMC a lo largo de todo el proceso de diseño y fabricación para garantizar la fiabilidad y el correcto funcionamiento del producto final.

Diseño de EMC en la Tarjeta de Circuito Impreso (PCB)

Cuando hablamos de diseño de compatibilidad electromagnética (EMC) en las tarjetas de circuito impreso (PCB), nos referimos a técnicas y consideraciones para reducir o eliminar interferencias y problemas electromagnéticos. A continuación, se describen las reglas básicas y algunas técnicas de diseño para lograr una mejor EMC en la PCB.

Reglas Básicas

  1. Planificación y organización: Es fundamental realizar un planeamiento adecuado y organizar el diseño de la PCB con antelación para evitar problemas posteriores.

  2. Trazado: Es crucial realizar un trazado adecuado de las pistas, teniendo en cuenta la longitud y la separación entre ellas, así como la orientación de las pistas.

  3. Blindaje: Es necesario utilizar blindajes, así como materiales y capas de aislamiento adecuados, para proteger el circuito de interferencias externas.

  4. Fuente de alimentación: La fuente de alimentación debe ser diseñada de forma que pueda proporcionar una energía estable y libre de ruido a todos los componentes del circuito.

Técnicas de Diseño

  • Uso de planos de masa y energía: Los planos de masa y energía ayudan a minimizar la emisión de ruido y las interferencias electromagnéticas, distribuyendo la corriente de una manera uniforme y manteniendo la integridad de la señal.

  • Separación de secciones críticas: Para evitar la interferencia entre diferentes secciones del circuito, es importante mantener una separación adecuada entre ellas, especialmente en el caso de circuitos digitales y analógicos.

  • Filtrado de ruido: El uso de componentes como filtros, condensadores y/o inductores para eliminar el ruido es crucial para mantener la integridad de la señal y evitar problemas de compatibilidad electromagnética.

  • Enrutamiento de señales: El enrutamiento adecuado de las señales es esencial para reducir las interferencias electromagnéticas. Se debe prestar atención al enrutamiento de señales de reloj, dado que son especialmente sensibles a las perturbaciones electromagnéticas.

Aplicando estas reglas básicas y técnicas de diseño, se puede lograr un diseño de PCB que sea compatible con EMC, contribuyendo así al correcto funcionamiento de la tarjeta y al cumplimiento de los requisitos normativos y de calidad.

Componentes Clave en la PCB para EMC

Condensadores

Los condensadores son componentes esenciales en una PCB para mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC). Ayudan a:

  • Estabilizar la tensión de alimentación.
  • Filtrar el ruido de alta frecuencia.
  • Desacoplar señales entre diferentes partes del circuito.

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) son una opción popular debido a su bajo costo, pequeño tamaño y excelente rendimiento a alta frecuencia.

Inductores

Los inductores también son fundamentales en una PCB para EMC. Sus funciones principales incluyen:

  • Limitar corrientes de alta frecuencia.
  • Crear barreras de aislamiento entre circuitos.
  • Formar parte de filtros pasivos (junto con condensadores).

Es importante seleccionar inductores con baja resistencia de corriente continua (DC) y alta corriente nominal para minimizar las pérdidas y evitar la saturación.

Filtros

Los filtros son otro componente clave para mejorar la EMC en PCB. Se utilizan para:

  • Atenuar las interferencias electromagnéticas (EMI) en las entradas y salidas de la placa.
  • Proteger los circuitos internos de transitorios y ruido en la alimentación.

Existen varios tipos de filtros, como los filtros de modo común y los filtros pi. Al elegir un filtro, es importante considerar sus características, como la impedancia, el rango de frecuencia de atenuación y la capacidad de manejo de corriente.

En resumen, los condensadores, inductores y filtros son componentes esenciales en una PCB para mejorar la EMC. Estos elementos garantizan un buen desempeño a nivel de ruido y protección contra interferencias electromagnéticas.

Zonas de Blindaje en EMC y PCB

Uso de Planos de Masa y Potencia

En el diseño de PCBs considerando EMC (Compatibilidad Electromagnética), es fundamental el uso de planos de masa y potencia. Estos planos proporcionan un camino de baja impedancia para las corrientes de retorno, y a su vez, actúan como blindaje contra interferencias electromagnéticas.

  • Planos de masa: Un plano de masa es una lámina de cobre sólida que se utiliza para proporcionar una ruta de baja impedancia a tierra.
  • Planos de potencia: Un plano de potencia es similar al plano de masa, pero en lugar de estar conectado a tierra, está conectado a una señal de alimentación.

Al colocar de manera adecuada estos planos en la PCB, se evitan interferencias y se mejora la integridad de las señales.

Zonas de División

Las zonas de división son áreas delimitadas dentro de la PCB creadas específicamente para separar circuitos y componentes sensibles a las interferencias electromagnéticas de otras áreas más ruidosas. Al implementar zonas de división en el diseño de la PCB, se puede lograr un mejor rendimiento del sistema y reducir la posibilidad de interferencias.

  • Crear zonas para componentes sensibles: Es recomendable agrupar los componentes sensibles a las interferencias electromagnéticas en una zona específica del diseño de la PCB.
  • Crear zonas para componentes ruidosos: En la misma línea, es conveniente ubicar los componentes que generan ruido en una zona separada del diseño de la PCB.
  • Separación de zonas de división: Es fundamental que entre las zonas de división haya una separación suficiente, utilizando planos de masa y potencia para blindar y evitar que el ruido provocado por un componente afecte a otro.

Estas prácticas en el diseño de la PCB son esenciales para el cumplimiento de los estándares de EMC y para asegurar un funcionamiento óptimo del circuito electrónico.

Enrutamiento de Señales en PCB para EMC

Enrutamiento Diferencial

El enrutamiento diferencial es una técnica utilizada para reducir el ruido electromagnético en las PCB. Consiste en utilizar dos trazas de señal paralelas y equidistantes con polaridades opuestas. Estas trazas transportan la misma señal, pero con polaridades invertidas, de modo que cualquier interferencia externa afectará a ambas trazas de manera similar. Esto permite que el receptor se beneficie de la cancelación de ruido.

Algunas recomendaciones para el enrutamiento diferencial incluyen:

  • Mantener las trazas paralelas y a una distancia constante
  • Evitar cambios bruscos de dirección
  • Utilizar terminaciones adecuadas para reducir reflexiones de señal

Enrutamiento de Señales de RF y Alta Velocidad

Las señales de radiofrecuencia (RF) y las señales de alta velocidad pueden ser susceptibles a la interferencia electromagnética y también pueden generarla. Para minimizar los posibles problemas con estas señales, se deben seguir algunas pautas de diseño de PCB:

  • Separar las señales de alta velocidad y RF de otras señales sensibles al ruido
  • Utilizar planos de masa para reducir la radiación y aumentar la inmunidad al ruido
  • Evitar lazos grandes de corriente que puedan generar ruido electromagnético

Además, al diseñar la PCB para EMC, también es importante tener en cuenta lo siguiente:

  • La colocación adecuada de los componentes (capacitores de desacoplamiento, inductores, etc.)
  • La topología adecuada de capas
  • El uso de apantallamiento cuando sea necesario

Consideraciones de Pruebas EMC para PCB

Cuando se diseña una PCB (Placa de Circuito Impreso), es importante considerar las pruebas de Compatibilidad Electromagnética (EMC) para garantizar que el producto funcione correctamente en su entorno y cumpla con la normativa aplicable.

Normas y Estándares

Existen varias normas y estándares internacionales para las pruebas EMC, entre ellos:

  • CISPR (Comité Internacional Especial sobre Perturbaciones Radioeléctricas)
  • IEC (Comisión Electrotécnica Internacional)
  • EN (Normas Europeas)
  • ANSI (Instituto Nacional Estadounidense de Estándares)
  • FCC (Comisión Federal de Comunicaciones)

Es fundamental familiarizarse con las normas asociadas a su industria y región, para asegurarse de que su PCB cumpla con los requisitos de EMC.

Pruebas de Inmunidad

Las pruebas de inmunidad evalúan la capacidad de una PCB para funcionar correctamente bajo la presencia de perturbaciones externas, como campos electromagnéticos. Algunos de los tipos de pruebas de inmunidad incluyen:

  • Descargas electrostáticas (ESD)
  • Radiofrecuencia (RF)
  • Campos electromagnéticos de alta frecuencia (HF)
  • Transitorios eléctricos rápidos (EFT)
  • Sobretensiones

Para mejorar la inmunidad de la PCB, se pueden implementar medidas como separar las áreas sensibles del ruido, emplear un diseño adecuado en las pistas y utilizar componentes de protección.

Pruebas de Emisiones

Las pruebas de emisiones se enfocan en medir y minimizar las perturbaciones electromagnéticas generadas por una PCB. Estas pruebas pueden ser de dos tipos:

  1. Emisiones radiadas: emisiones generadas de forma intencional o no, que se propagan a través del espacio.
  2. Emisiones conducidas: emisiones generadas por corrientes eléctricas que se propagan a través de cables o conexiones.

Algunas estrategias para reducir las emisiones incluyen:

  • Diseño de circuitos con bajas impedancias de bucle
  • Serpenteo de pistas en dispositivos de alta velocidad
  • Apantallamiento de componentes críticos
  • Correcta colocación de condensadores de desacoplo

Las pruebas EMC son esenciales para el diseño apropiado de una PCB, y considerarlas desde el principio facilitará el cumplimiento de los estándares y la fiabilidad del producto final.

Ejemplos de Diseños de PCB Exitosos en EMC

En la industria electrónica, es fundamental contar con diseños de PCB exitosos en el cumplimiento de las normativas de compatibilidad electromagnética (EMC). A continuación, se presentan algunos ejemplos de estos diseños:

Diseño 1: Uso de planos de tierra

  • Se implementan planos de tierra en todas las capas de la PCB, minimizando bucles de corriente y emisiones electromagnéticas.
  • Se emplean vías de conexión a tierra para reducir la impedancia de puesta a tierra de los componentes y optimizar la estabilidad del circuito.

Diseño 2: Distribución óptima de componentes

  • Se agrupan los componentes según su función, evitando la interferencia electromagnética entre ellos.
  • Se respetan los límites entre los circuitos analógicos y digitales para disminuir el acoplamiento de ruido.

Diseño 3: Enrutado de pistas

  • Se emplea un enrutamiento ordenado y simétrico para minimizar la inductancia y emisiones de ruido.
  • Se utilizan técnicas de enrutamiento de pares diferenciales en líneas de comunicación de alta velocidad para reducir las emisiones electromagnéticas.

Diseño 4: Blindaje del circuito

  • Se añaden componentes de blindaje, como carcasas metálicas o filtros EMI, para proteger el circuito de interferencias externas.
  • Se ubican los componentes sensibles a la interferencia electromagnética lo más lejos posible de las fuentes de ruido.

Estos ejemplos reflejan cómo intervienen diferentes aspectos del diseño de PCB en la compatibilidad electromagnética. Al seguir estas pautas, se puede optimizar

Conclusiones

En conclusión, el diseño de tarjetas de circuito impreso (PCB) para compatibilidad electromagnética (EMC) es esencial en la fabricación de dispositivos electrónicos y sistemas. Esto permite minimizar las interferencias electromagnéticas y garantizar un rendimiento adecuado.

Existen diversas técnicas y herramientas para mejorar la compatibilidad electromagnética en PCBs. Algunos factores clave a tener en cuenta son:

  • La disposición de los componentes: se deben colocar en función de su funcionalidad, priorizando aquellos más sensibles.
  • Uso de planos de tierra y estrategias de apantallamiento para aislar áreas ruidosas.
  • Prudencia en el uso de trazas de alta velocidad o impedancia especialmente en cercanías de componentes susceptibles.
  • Controlar el retorno de la corriente en las rutas de señales.

A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más complejos e integrados, la necesidad de un diseño de PCB efectivo y compatible con EMC es aún más crucial. Adherirse a las mejores prácticas y estándares puede ser la diferencia entre un dispositivo que funciona de manera eficiente y uno que enfrenta problemas constantes de interferencia.

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