Explore cómo reducir el tamaño de la placa y aumentar la integración en su diseño de PCB en este artículo escrito por David Meaney, Vicepresidente de Ventas Técnicas Globales y Marketing y Dean Clark, Director Europeo de Operaciones de ECS Inc. Internacional.
Cuando se diseña la placa de circuito impreso para aceptar los componentes y darles la mejor posibilidad de rendir al máximo es una tarea complicada, al igual que las señales de reloj y su enrutamiento. Si seguimos algunas reglas estándar de la industria, los problemas de interferencia electromagnética pueden minimizarse sin necesidad de complicadas fórmulas y costosas herramientas de simulación.
La razón por la que el diseño de las placas de circuito impreso es cada vez más importante es la tendencia a reducir el tamaño de las placas y aumentar la integración. Los factores de forma más pequeños, y la electrónica de menor potencia, llevan a otras consideraciones. Cuanto más altas sean las frecuencias de conmutación, más radiación se generará. Con un buen diseño, se pueden minimizar muchos problemas de EMI para cumplir con las especificaciones que se requieren. A continuación se enumeran algunas recomendaciones que ECS Inc. Internacional sugieren que siga como una buena práctica de ingeniería.
- Directrices para el diseño de placas de circuito impreso (PCB) de cristal.
- • Conecte el cristal y los capacitores de carga externos en la placa de circuito impreso lo más cerca posible de los pines de entrada y salida del oscilador del chip.
- • La longitud de los trazos en el circuito de oscilación debe ser lo más corta posible y no debe cruzar otras líneas de señal.
- • Evite las curvas en ángulo recto en los trazados.
- • Asegúrese de que los capacitores de carga CX1, CX2 y CX3, en caso de utilizar el tercer cristal de sobretono, tengan un plano de tierra común.
- • Los bucles deben hacerse lo más pequeños posible para minimizar el ruido acoplado a través de la placa de circuito impreso, y para reducir al máximo cualquier parásito.
- • No coloque el patrón de tierra (GND) bajo la unidad de cristal.
- • No pase las líneas de señal digital/de radiofrecuencia ni la alimentación por debajo de la unidad de cristal para las placas de circuito impreso de varias capas.
- Directrices de diseño de la placa de circuito impreso (PCB) del oscilador
- • Coloque la huella del oscilador en la placa de circuito impreso lo más cerca posible de los pines de entrada de la carga o del chip.
- • La longitud de los trazos debe ser lo más corta posible y no debe cruzar otras líneas de señal.
- • Evite las curvas en ángulo recto en los trazados. La capacidad aumenta en la región de las esquinas de 45°, cambiando la impedancia característica de la traza, lo que provoca reflexiones. Esto puede mitigarse redondeando los ángulos rectos.
- • Utilice la terminación en serie para reducir las ondas estacionarias entre la fuente y la terminación. Se construye insertando una resistor en serie lo más cerca posible del pin de salida del oscilador. Para una correcta adaptación de la impedancia, la impedancia de salida del controlador de reloj más el resistor de terminación en serie debe ser igual a la impedancia de la traza.
- • Mantenga las trazas de salida diferencial con la misma longitud y tan cerca como sea posible. Esto aumenta el factor de acoplamiento entre las trazas, llevando el ruido al modo común, que es menos problemático para una etapa de entrada diferencial.
- • Una buena práctica es tener el oscilador conectado al plano de tierra común.
- • No coloque el patrón de tierra (GND) bajo la unidad de cristal, esto añade capacitancia parásita.
- • No pase las líneas de señal digital/de radiofrecuencia o la potencia por debajo de los osciladores para las placas de circuito impreso de varias capas, ya que esto añadirá ruido.
Disposición del oscilador Pierce
Los puntos anteriores son importantes para la aplicación de los osciladores de perforación que utilizan los microprocesadores. Vea a continuación el circuito y una disposición típica para un oscilador de perforación que utiliza un cristal de 4 puntas.
 Oscilador típico de cristal/resonador Pierce |
 Típico oscilador de cristal Pierce en PCB |
El bucle del oscilador de cristal tiene una baja impedancia de entrada en la frecuencia del oscilador, pero una característica de alta impedancia de entrada fuera del rango de frecuencia de resonancia. Esta característica de alta impedancia es vulnerable a la EMI cuando se aplica un campo eléctrico en su proximidad. La tecnología más reciente ha restringido el nivel de la señal del oscilador a <1V, haciéndolo más susceptible.
Para resaltar la importancia de mantener baja la capacitancia perdida de la PCB, se resalta la Cs en el cálculo. Cuanto menor sea el CL del cristal, mayor será el impacto de la capacitancia perdida de la PCB en el diseño.
Las conexiones a tierra de los capacitores de carga C1 / C2 deben mantenerse lo más cortas posible para evitar corrientes de tierra con otros circuitos. Muy a menudo los pines XTAL IN y XTAL OUT son adyacentes en el procesador. La capacitancia parásita puede ser un problema, por lo que las trazas deben estar tan separadas como sea posible y mantenerlas tan cortas como sea posible.
- • Las capacitancias típicas que se observan podrían ser:
- • XTAL IN a tierra: 1pF
- • XTAL OUT a tierra: 2pF
- • XTAL IN a XTAL OUT: 0,5pF
Los tipos de cristal más comunes tienen cajas selladas con costura, en las que la tapa de la caja está conectada de forma eléctrica a las clavijas de tierra. Con este tipo de encapsulado se recomienda conectar a tierra los pines para reducir el potencial de EMI de la tapa. Hay que tener en cuenta que los envases sellados con costura ofrecen un mejor rendimiento. El método de sellado alternativo es un cristal sellado de vidrio, y debido a este proceso, la tapa está aislada de los pines de tierra. Con este tipo de encapsulado, no se recomienda conectar a tierra los pines de tierra del cristal.
Compatibilidad electromagnética (CEM)
La Compatibilidad Electromagnética es la capacidad de los componentes, equipos y sistemas eléctricos para funcionar tal y como están diseñados en su entorno. Esto se hace limitando la generación, propagación y recepción involuntaria de energía electromagnética. Estas fuentes de ruido no deseadas se conocen como interferencias electromagnéticas (EMI). El objetivo de la CEM es el correcto funcionamiento de los distintos equipos en un entorno electromagnético común.
El plano de tierra
Un plano de tierra es eficaz cuando se utiliza con un circuito analógico o digital y una mezcla de componentes. Las conexiones a tierra se realizan según las necesidades y no de manera uniforme en todo el trazado.
Un plano de tierra no se crea solo llenando todo el espacio vacío con cobre y conectándolo a la tierra. Su función es permitir el flujo de la corriente de retorno, y el trazado ideal debe tener las mínimas interrupciones del mismo. Por ello, se utilizan placas multicapa. Se puede dedicar toda una capa uniforme a la tierra, otra a la energía y otra a la señalización. Esto mejora la distribución de la capacitancia entre capas. También tiene la ventaja adicional de la baja impedancia entre la potencia y la tierra a altas frecuencias.
Los agujeros individuales no suponen ninguna diferencia en el plano de tierra, pero las ranuras grandes sí. Cuando el plano de tierra es interrumpido por otras pistas o agujeros, el flujo de corriente normal de baja inductancia se desvía alrededor del obstáculo y la inductancia aumenta de forma efectiva.
Las interrupciones solo se deben tolerar si no atraviesan las líneas de alto flujo di/dt. Las pistas debajo de los componentes que llevan altas corrientes de conmutación o bordes lógicos rápidos causarán capacitancia inducida. Incluso una vía muy estrecha que interconecte dos segmentos de plano de tierra es mejor que ninguna. A altas frecuencias, y esto incluye las transiciones de los bordes lógicos digitales, la corriente tiende a seguir el camino que encierra el menor flujo magnético. Esto significa que la corriente de retorno del plano de tierra preferirá concentrarse bajo su correspondiente vía de señal.
Algunos fabricantes de placas no recomiendan dejar grandes áreas de cobre porque puede provocar la deformación de la placa o el agrietamiento del resistor a la soldadura. Si es probable que esto sea un problema, se puede sustituir el plano de tierra sólido por un patrón rayado sin degradar su eficacia. Para realizar una conexión soldada al plano de tierra, o a cualquier otra zona grande de cobre en la superficie de la placa, debes "separar" la almohadilla de soldadura de la zona de tierra y conectarla utilizando tramos cortos de pista. De este modo, se evita que el plano de tierra actúe como disipador de calor durante la soldadura para conseguir uniones fiables.
Interferencias electromagnéticas
(EMI) Radiada - EMI
¿Qué es la prueba de emisiones radiadas (o EMI)? Las pruebas de emisiones radiadas implican la medición de la intensidad del campo electromagnético de las emisiones generadas de manera involuntaria por su producto. Las emisiones son inherentes a las tensiones y corrientes de conmutación de cualquier circuito digital. Esto le permitirá saber cuál es el nivel de emisiones, y entonces podrá determinar si afectarán al rendimiento de su sistema o de los sistemas circundantes.
Modos típicos de fallo por radiación
Hay casi un número ilimitado de diseños o formas electromecánicas en las que se pueden producir emisiones radiadas. A continuación, una breve lista de algunos problemas típicos de diseño de EMI:
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Conducido - EMI
Todo dispositivo electrónico crea energía electromagnética y una cierta parte de ella será conducida a la fuente de alimentación y con capacidad de ser acoplada a la fuente de alimentación externa.
Para restringir la cantidad de interferencias que su dispositivo puede acoplar a una fuente de alimentación, los laboratorios de pruebas miden estas emisiones. En general, se interesan por las emisiones en el ancho de banda de 150 kHz ~ 30 MHz. Comprueban la radiación y verifican que se ajustan a los límites especificados.
Los procedimientos y niveles de prueba de EMI se rigen por el CISPR: Comité Internacional Especial de Radiointerferencias. Para más información, visite el sitio web de la Comisión Electrotécnica Internacional.
Pruebas de emisiones
De acuerdo con la norma ANSI C63.4, el LISN (o los LISN) se asientan en el suelo, mientras que su producto se apoya en una mesa (o permanece en el suelo si el equipo es grande). El puerto de radiofrecuencia de un LISN se conecta de forma directa a un analizador de espectro (o a través de un limitador de transitorios para evitar daños por picos de tensión).
Emisiones conducidas Aplicabilidad
Las pruebas de emisiones conducidas suelen realizarse en dispositivos que se conectan a una fuente de alimentación de CA. Esto es así sin importar si está usando un adaptador de alimentación AC-DC precertificado. Para algunas normas, también se imponen límites a los dispositivos que funcionan con una fuente de alimentación de corriente continua.
Recomendaciones sobre las emisiones conducidas
Sin entrar en grandes detalles sobre el diseño de circuitos para el cumplimiento de las emisiones conducidas, hay algunas formas sencillas de minimizar el riesgo de fallar en las pruebas de emisiones conducidas:
- • Siempre hay que buscar una fuente de alimentación que esté clasificada para los límites que necesita pasar.
- • Si su dispositivo es de "Clase B", asegúrese de adquirir un adaptador de Clase B. Un adaptador que solo ha superado los límites de la clase A, es poco probable que resulte en un pase del sistema. Un adaptador de clase B no garantiza un pase de emisiones conducidas de clase B, pero seguro ayudará.
- • Del mismo modo, para los límites militares, médicos, automotrices o aeroespaciales más estrictos, busque siempre un suministro cuya especificación afirme el cumplimiento del límite correspondiente.
- • Lleve al menos 3 fuentes de alimentación diferentes al laboratorio de pruebas.
- • Si su dispositivo utiliza un adaptador de corriente AC-DC externo, lleve equivalentes de otros fabricantes por si acaso. Si falla, puede cambiarlo y ver si los otros suministros funcionan.
- • Compruebe si los raíles de la fuente de alimentación tienen ondulaciones.
- • Si tiene buenas fuentes de alimentación, lo más probable es que su PDN y desacoplamiento estén en buen estado. Si observa una ondulación o picos excesivos en las fuentes de alimentación conmutadas, es muy posible que este ruido esté presente en el lado de CA de su fuente de alimentación.
- • Si hay una razón esencial para dividir el plano de tierra, como separar las tierras análogas y digitales para evitar el acoplamiento de ruido, tenga cuidado porque los planos de tierra divididos pueden actuar como antenas de ranura e irradiar. En estos casos, solo conecte los planos de tierra divididos en un solo punto. Cuantas más conexiones a tierra comunes tenga, más bucles creará y más EMI irradiará su diseño.
- • Muchos diseños tendrán capacitores de derivación y desacoplamiento; puede reducir la trayectoria de la corriente de retorno conectándolos a tierra. Esto reduce el tamaño del bucle de tierra y, por tanto, la radiación. Solo hay que asegurarse de no conectar un capacitor de derivación entre un plano de potencia y un plano de tierra no relacionado, ya que puede provocar un acoplamiento capacitivo.
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