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Universidad Antonio de Nebrija Tecnología Electrónica II

Introducción

Desde la segunda guerra mundial, controlar las emisiones de un dispositivo electrónico

se ha hecho necesario, tanto para las aplicaciones militares como para las civiles.

Siempre es mejor construir los dispositivos suprimiendo la fuente que construir una

“caja mejor”.

Los componentes son cada día más rápidos y más complejos, lo cual lleva a tener más

en cuenta su compatibilidad electromagnética.

Existen normas internacionales que se deben seguir en el diseño de un dispositivo para

que mantenga compatibilidad electromagnética (EEUU: FCC, EU: EC).

Definiciones fundamentales

Compatibilidad electromagnética (EMC). La capacidad de un sistema, equipo o

dispositivo eléctrico o electrónico de operar en su entorno electromagnético de

diseño con un determinado margen de seguridad, y dando la funcionalidad de

diseño, sin sufrir o causar una degradación inaceptable como resultado de las

interferencias electromagnéticas (ANSI C64. 14-1992).

Interferencia electromagnética (EMI). La ausencia de EMC, ya que la esencia

de la interferencia es la falta de compatibilidad. La EMI es el proceso por el que la

energía electromagnética destructiva se transmite de un dispositivo electrónico a

otro vía radiación o conducción.

Radio frecuencia (RF). Rango de frecuencia que contiene radiación

electromagnética coherente útil para la comunicación (10 kHz – 100 GHz). Esta

energía puede ser transmitida como subproducto de la operación de un dispositivo

electrónico. La RF es transmitida mediante dos modos básicos:

- Emisiones radiadas. Se transmite energía a través de un medio mediante un

campo electromagnético.

- Emisiones conducidas. Se transmite energía a través de un medio como una

onda propagada, generalmente a través de un cable o pista de

interconexión.


Susceptibilidad. Una medida relativa de la propensión de un dispositivo o sistema

de ser afectado o dañado por exposición a EMI. Es la ausencia de inmunidad.

Inmunidad. Medida relativa de la habilidad de un dispositivo o sistema de soportar

la exposición a EMI manteniendo una determinada calidad de funcionamiento.

- Descarga electrostática (ESD). Transferencia de carga eléctrica entre

cuerpos de distinto potencial electrostático en proximidad o a través de un

contacto directo. Esta definición de entiende como un pulso de alto potencial

que puede causar el daño o la pérdida de funcionalidad de los dispositivos

susceptibles

- Inmunidad radiada. La habilidad relativa de soportar energía

electromagnética que llega a través del espacio abierto.

- Inmunidad conducida. Habilidad de soportar energía electromagnética que

entra a través de cables externos, pistas de alimentación y conexiones de

entrada/salida.

Contención. Proceso mediante el que se evita que la energía electromagnética

salga de un determinado espacio, generalmente se hace protegiendo el dispositivo

mediante una caja metálica (caja de Faraday o estructura Gaussiana) o usando una

caja de plástico con pintura conductora. De la misma forma se puede hablar de

contención cuando se evita que la energía penetre desde fuera.

Supresión. Es el proceso por el que se limita o se elimina la energía RF que existe

sin utilizar otro segundo método. La supresión puede consistir en apantallamiento y

filtrado también.

Temas a tener en cuenta para EMC

Regulación

Sin regulación estatal o internacional, el entorno electromagnético en el que vivimos

estaría plagado con interferencias y sólo unos pocos dispositivos podrían operar

adecuadamente.


La regulación protege el espectro electromagnético y limita la radiación espúrea de los

emisores (transmisores) y del resto de dispositivos electrónicos (que radian también

energía)

RFI

Los teléfonos móviles, radios de mano, unidades de control remoto,…., pueden causar

interferencias. Los fallos típicos de los dispositivos electrónicos ocurren en un rango de

1 a 10 voltios/metro. Por ejemplo un transmisor de radio a 1 m de distancia de otro

dispositivo electrónico causa un campo de unos 5V/m. Evitar que RFI afecte a un

dispositivo se ha convertido en obligatorio según las regulaciones de la mayoría de

países.

Descarga electrostática (ESD).

En los últimos años ha cobrado importancia ya que los componentes electrónicos son

cada día más densos, contienen un número mayor de transistores, estos componentes

son muy sensibles ante ESD de forma que pueden resultar dañados de forma

irreversible por fenómenos de ESD.

Los eventos ESD por contacto directo, generalmente causan un daño permanente o un

modo de fallo latente. Los eventos ESD por radiación (una persona andando sobre una

moqueta, por ejemplo) pueden causar una excitación en el componente que puede

resultar en una operación errónea sin llegar a un fallo permanente del sistema.

Distorsiones de alimentación

Día tras día se conectan más dispositivos electrónicos a la red eléctrica, esto provoca

que existan distorsiones en la misma, ya que los componentes electrónicos tienen un

funcionamiento no lineal que induce distorsiones no despreciables en la red como

transitorios o armónicos. La inducción de estas distorsiones en la red es provocada

porque los componentes electrónicos no consumen potencia en toda la onda de

tensión, sólo en las crestas.

Los componentes analógicos y digitales responden de formas distintas ante estas

distorsiones, los componentes digitales están afectados por los picos de tensión


mientras que los analógicos se ven afectados por el nivel medio de tensión que, al

variar, cambia la tensión de referencia del componente.

Un ejemplo de las variaciones que se producen en las líneas eléctricas son el tercer y

quito armónico (150 Hz y 250 Hz) a una tensión de 230 V.

El entorno electromagnético.

La banda de radio FM (88 – 108 MHz) se sitúa en un rango específico de frecuencias

preasignadas. Muchos dispositivos digitales producen emisiones a estas frecuencias con

la respectiva alteración del entorno radioeléctrico.

Por ejemplo, un simple oscilador (de onda cuadrada) cuya frecuencia principal sea 2

MHz, tiene una representación en frecuencia que se caracteriza por tener un amplio

espectro de armónicos. Esto producirá emisiones en el rango de frecuencias

comentado.

Por qué ocurre esto: toda onda no sinusoidal (cuadrada, trapezoidal,...) va a tener una

representación en frecuencia (mediante la transformada de Fourier) con contenido en

un rango de frecuencia más o menos extenso dependiendo de la forma de la onda. Por

tanto, si tenemos dos componentes con la misma funcionalidad lógica (por ejemplo,

inversores) pero con distintas características dinámicas, a los que los sometemos a la

misma entrada, es seguro que la salida que darán tendrá distinta representación en

frecuencia y por tanto emitirán de distinta forma energía RF, de tal forma que uno de

los componentes puede provocar que exista compatibilidad electromagnética y el otro

no.

El análisis de los problemas de EMI debe llevarse a cabo de forma sistemática, para lo

que es necesario distinguir entre las distintas partes, todas ellas necesarias para que

exista interferencia:

- Fuente de energía

- Receptor que se ve excitado por esa energía cuando la intensidad de la

interferencia electromagnética está por encima de un determinado límite.

- Ruta de acoplamiento entre la fuente y el receptor para la transferencia de

energía no deseada.


Niveles potenciales de emisión para dispositivos no protegidos

La siguiente matriz muestra los niveles potenciales de emisión en función de la

complejidad y velocidad del dispositivo.

Nivel de complejidad Emisión potencial Bajo

(PCB simple) Medio

(placa madre) Alto

Baja < 10 MHz Baja Media Alta Media Media Media a alta Alta a muy alta

Velocidad

Alta > 100 MHz Alta Alta a muy alta Muy Alta

Métodos para el acoplamiento del ruido

Fuente de ruido Ruta de propagación Receptor

NATURAL Terrestre Atmosférico Triboeléctrico Extraterrestre Sol Cósmico Estrellas FABRICADO Comunicaciones Difusión (TV, radio,...) Navegación Radar Industrial Soldadores de arco Calentadores de inducción Luces fluorescentes Medico Scanners Doméstico Afeitadoras Mata – insectos HV Microondas Ordenadores

RADIACION Campo lejano Campo cercano CONDUCCION Distribución de tensión Distribución de señal Bucles de masa

BIOLÓGICOS Personas Animales Plantas FABRICADOS Comunicaciones Receptores de difusión(TV, radio,...) Receptores de navegación Receptores de radar Industrial Controladores Amplificadores Medicos Sensores médicos Sistemas de computación Fuentes de alimentación Unidades de disco Amplificadores de video

Fuente de ruido Ruta de propagación Receptor

Control de emisiones (Reducción del nivel de emisiones)

(Reducción de la eficiencia de propagación)

Control de la susceptibilidad (Reducción de la eficiencia de propagación) (Incremento de la inmunidad del receptor)

Conducida Radiada Conducida Radiada


Para examinar las posibles vías de acoplamiento hay que tener en cuenta que existen

varios mecanismos que posibilitan el mismo. Los posibles caminos que pueden tomar

las interferencias son:

- Radiación directa de la fuente al receptor (1)

- Radiación (RF) desde la fuente hasta los cables de alimentación, de señal o

de control del receptor (2)

- Radiación (RF) desde los cables de alimentación, de señal o de control de la

fuente hasta el receptor (3).

- Energía RF conducida por las líneas comunes de alimentación o por líneas

comunes de control o señal (4).

Los mecanismos físicos que posibilitan la transmisión de las interferencias, son:

- Conductivo

- Electromagnético

- Campo magnético (subconjunto del electromagnético)

- Campo eléctrico (subconjunto del electromagnético)

El acoplamiento conductivo se produce por un acoplamiento por impedancia común

entre el circuito fuente de ruido y el circuito susceptible de ruido. Es necesario, para

que exista acoplamiento que haya al menos dos conexiones entre ellos para que la

corriente de ruido pueda fluir hacia el receptor y posteriormente volver.

Fuente Receptor 1

2 3

3 4

Líneas de alimentación

E/S E/S

C.I. 1 C.I. 2

Impedancia común


El acoplamiento magnético se produce cuando una porción del flujo magnético creado

por un lazo de corriente atraviesa otro lazo de corriente. Se representa mediante la

inductancia común entre los dos lazos: V2 = M12 dI1/dt.

El acoplamiento por campo eléctrico se produce en circuitos con baja impedancia. Los

efectos son pequeños en relación a otros acoplamientos que pueden ocurrir. El

acoplamiento capacitivo ocurre cuando una porción del flujo eléctrico creado por un

circuito termina en un conductor de otro circuito. La corriente de ruido inyectada en el

circuito susceptible es aproximadamente I = C dV/dt.

El acoplamiento por campo electromagnético es una combinación de los campos

eléctrico y magnético afectando simultáneamente a un circuito.

Es importante conocer, como regla general, que a mayor frecuencia la eficiencia del

acoplamiento por radiación es mayor mientras que a menor frecuencia es mayor la

eficiencia del acoplamiento por conducción.

La forma de acoplamiento que se suele pasar por alto es a través de un conductor, un

cable o una pista en un PCB. Este conductor puede tomar energía RF emitida por un

dispositivo y transmitirla hasta el circuito víctima. La forma más sencilla de evitar esto

es tanto eliminar la emisión o proteger el circuito victima. En la siguiente figura vemos

el posible acoplamiento entre pistas o conductores.

M12

I1 I2

C

ZL ZL

ZS

ZS >> ZL


Naturaleza de la interferencia

La interferencia puede ser agrupada en dos categorías, interna y externa. La primera

puede ser debida a la degradación de la señal a lo largo del camino de transmisión por

el acoplamiento parásito entre circuitos adyacentes, además del acoplamiento por

campo entre subsistemas internos, desde fuente de alimentación hasta unidades de

disco. Más concretamente, los problemas son pérdidas en la señal y reflexiones a lo

largo del camino, y “crosstalk” (influencia de los valores de una línea en los de otra)

entre pistas o líneas adyacentes.

Los problemas externos se dividen en emisiones y susceptibilidad. Las emisiones se

provocan primeramente por los armónicos de los relojes y otras señales periódicas. Las

soluciones a estos problemas pasan por contener las señales periódicas en un área lo

menor posible, y bloquear el acoplamiento parásito del resto del mundo.

La susceptibilidad a influencias externas, se relacionan primeramente a la energía que

se acopla en las líneas de entrada / Salida y después es transferida dentro de la unidad.

Esto ocurre principalmente en líneas de alta velocidad y pistas paralelas, sobre todo

aquellas que terminan en dispositivos activados por flanco.

Las consideraciones principales en cuanto a EMC son:

- Frecuencia. Dónde en el espectro de frecuencia se detecta el problema.

- Amplitud. Cuál es el nivel de energía, y cuál es su potencial de causar daño.

- Tiempo. Es el problema continuo (señales periódicas) o existe sólo en

determinados ciclos (por ejemplo lectura / escritura en un disco).

CC L L

CL

CL CL

CL Pista de retorno

Pista de retorno

Pista de señal

Pista de señal


- Impedancia. Cuál es la impedancia tanto del emisor como del receptor y la

del camino por el que se transfiere la energía.

- Dimensiones. Cuáles son las dimensiones físicas del dispositivo emisor que

pueden causar problemas.

PCBs y antenas

Un PCB puede actuar como una antena radiando energía RF. La mayoría de los PCB

actúan como antenas no intencionadas. Si un PCB es un radiador de energía RF no

intencionado eficiente, y no pueden ser implementadas técnicas de supresión deben

usarse técnicas de contención.

Básicamente, una antena tiene un comportamiento en frecuencia que le confiere unas

cualidades excelentes para emitir energía en forma de radiofrecuencia (RF). El circuito

equivalente a una antena es el siguiente:

La característica más importante de las antenas es que a una determinada frecuencia, L

y C se cancelan, entra en resonancia y se emite energía.

Para minimizar los efectos de un funcionamiento como antena es necesario utilizar

técnicas de supresión: un buen sistema de masa con una caja de Faraday (para

contener las emisiones) o filtros diseñados para una determinada funcionalidad (filtrar

un determinado rango de frecuencias).


EMC dentro del PCB

La EMC puede explicarse matemáticamente, aunque es demasiado complejo hacer un

análisis real del funcionamiento de un circuito ya que existen muchas influencias entre

los distintos componentes tanto internos como externos, las pistas del PCB y demás

partes. Sin embargo, se pueden formular diversos modelos simples que permiten

alcanzar la compatibilidad.

Existen muchas variables que causan EMI, esto es porque la EMI es causada por el

comportamiento no ideal de los componentes sino por las excepciones a su

comportamiento. Seguidamente pasaremos a ver tanto el comportamiento esperado

como el comportamiento real de cada uno de los componentes que pueden estar dentro

de un PCB.

Cable o pista Resistencia Condensador Bobina Transformador

Comportamiento a

baja frecuencia

Comportamiento a

alta frecuencia


Cables y pistas

Un cable o una pista de un PCB (hay diferencias en su comportamiento ya que sus

secciones no son iguales, redonda y rectangular), a alta frecuencia se comporta como

una bobina, ya que la inductancia supera a la resistencia y emite radiofrecuencia.

Por ejemplo, supongamos que tenemos una pista de 10 cm con una resistencia de 57

mΩ y una inductancia de 8 nH/cm, lo que supone 80 nH en total. A 100 kHz, la

reactancia inductiva toma el valor de 50 mΩ, comparable al valor de la resistencia, por

encima de 150 MHz esta pista es un radiador de RF eficiente. XL = 2 π f L

Resistencias

Dependiendo del material usado para las resistencias (carbono, lámina de carbono,

mica, bobinado...) tendrán una limitación distinta respecto al funcionamiento en

frecuencia. Una resistencia bobinada no se puede usar para altas frecuencias porque su

componente inductivo es muy alto.

Normalmente el efecto capacitivo de la resistencia es de menor importancia que el

inductivo.

Condensadores

La reactancia capacitiva de un condensador disminuye al aumentar la frecuencia hasta

que alcanza su frecuencia de resonancia, a partir de la frecuencia de resonancia, un

condensador se comporta como una bobina. A la frecuencia de resonancia se comporta

como un cortocircuito.

Por ejemplo, un condensador de 10µF, tendrá una reactancia capacitiva de 1.6 Ω a 10

kHz y decrecerá hasta 160 µΩ a 100 MHz. Según la fórmula XC = 1/(2 π f C)

Bobinas

A partir de una determinada frecuencia se comportan como un circuito abierto, es decir,

presentan una alta impedancia. Por ejemplo, una bobina ideal de 10 mH tiene una

reactancia de 628 Ω a 10 kHz que crece hasta 6.2 MΩ a 100 MHz, lo cual significa que

intentar pasar datos por esa bobina a una frecuencia de 100 MHz será muy difícil. Si

fuera una bobina real nos encontraremos que la capacidad parásita entre los bobinados


empieza a afectar hacia 1MHz con lo que no se puede usar por encima de esa

frecuencia.

Si queremos tener el comportamiento de una bobina a altas frecuencias, se debe usar

materiales de ferrita, que permiten tener alta impedancia a alta frecuencia con un

mínimo de efecto capacitivo.

Transformadores

Utilizados para aislar galvánicamente unas partes del circuito de otras, y transmitir en

modo diferencial (AC), pierden esta capacidad al aumentar la frecuencia ya que los

efectos capacitivos empiezan a afectar, de forma que podría ocurrir que se perdiera el

aislamiento frente a transitorios rápidos, o ESD (Electrostatic Discharge).

Relación entre las fuentes de campo magnético y eléctrico.

Las corrientes que varían con el tiempo pueden presentarse en dos configuraciones:

- Fuentes de campo magnético (bucles cerrados).

- Fuentes de campo eléctrico (dipolos).

Una corriente variable circulando por un bucle cerrado crea un campo magnético que

depende de:

- Amplitud de la corriente

- Orientación del bucle respecto del receptor del campo

- Tamaño del bucle. A mayor tamaño menor es la frecuencia de radiación

- Distancia. Cuando la distancia es eléctricamente cercana el campo

electromagnético decae con el cuadrado de la distancia, mientras que

cuando es lejana el campo es una onda plana que decae con el inverso de la

distancia

Una fuente de campo eléctrico se modela como un dipolo eléctrico variable: dos puntos

próximos con carga variable opuesta, existe por tanto una corriente que circula entre

los dos puntos. Los campos creados por estos dipolos dependen de:


- Amplitud de la corriente. El campo creado es proporcional a la amplitud.

- Orientación del dipolo respecto del elemento afectado por el mismo.

- Tamaño del dipolo. Los campos son proporcionales a la longitud del dipolo,

siempre que sea una pequeña fracción de la longitud de onda de la emisión.

A mayor longitud menor frecuencia es la que se emite.

- Distancia. La fuerza del campo decae inversamente con la distancia.

¿Dónde se encuentran los dipolos en gran concentración?

Concepto de cancelación de flujo (minimización de flujo)

Las líneas de flujo magnético se crean porque una corriente eléctrica pasa a través de

una impedancia, tanto fija como variable. Toda pista en un PCB tiene una cierta

impedancia por lo tanto creará un campo magnético en su entorno que puede ser

origen de EMI, esta corriente irá de un punto A a otro B y después volverá por otro

camino hasta A, la corriente de vuelta creará otro campo magnético que podría anular

el primer campo, en realidad minimizar el campo. Este concepto es muy simple, pero el

implementarlo es mucho más complicado.

Algunas de las técnicas para minimizar estos flujos son:

- Control de impedancia de los PCB multicapa.

- Enrutar la pista de reloj adyacente a un camino de vuelta por el plano de

masa (PCB multicapa) o usar una pista de guarda o de masa (PCB de una

capa o doble capa).

- Captura de las líneas de flujo magnético creadas internamente en un

componente mediante un encapsulado que asegure los 0V.

- Elegir cuidadosamente las familias lógicas utilizadas para minimizar la

distribución de espectral de frecuencia de radiación de componentes y pistas

(uso de los flancos de subida más lentos posible que posibiliten el

funcionamiento adecuado).

- Reducción del ruido de fondo del plano de masa y de tensión.


- Asegurar suficiente desacople en los componentes que pueden consumir

potencia cuando todos cambian de estado simultáneamente bajo máxima

carga capacitiva.

- Terminar adecuadamente las pistas de reloj para evitar rebotes,

sobretensiones,...

- Utilizar una protección para los componentes que radian una gran cantidad

de energía RF.

Corrientes en modo común y en modo diferencial.

Corrientes en modo diferencial:

- Llevan la información (datos) del circuito

- Causan una mínima interferencia ya que los campos generados se oponen

entre sí y se cancelan (se minimizan) sus efectos nocivos.

Un circuito manda una corriente a una carga por una pista, y recibe una corriente igual

desde la carga. Estas corrientes iguales, viajando en direcciones opuestas, representan

las operaciones típicas en modo diferencial. Este funcionamiento es necesario siempre

para el circuito por lo que no queremos eliminarlo, sólo podemos minimizar sus efectos.

La energía RF emitida en modo diferencial es:

E = 263 · 10-16 (f2 · A · IS)·(1/r) ; en (V/m)

Siendo f la frecuencia, A el área del bucle, IS la amplitud de la corriente y r la

distancia.

Por tanto, si tenemos un límite de energía (especificado por normas internacionales)

podemos calcular el área máxima (variable de diseño del layout del PCB) utilizable:

A = 380 · r · E /(f2 · IS)

Por ejemplo, para f = 100 MHz, A = 4 cm2 e IS = 5 mA, obtenemos un campo E =

52.6µV/m a 10 m, que está por encima del límite dado por la norma EN 55022, clase B

(aparatos domésticos), que es de 30µV/m.


Corrientes en modo común:

- son la mayor fuente de radiación

- contienen información inútil

Son el resultado de la mezcla de corrientes en una estructura metálica común, como los

planos de tensión y de masa. Estas corrientes provocan transitorios RF en estos planos

que provocan EMI a través de los componentes conectados a los mismos y que actúan

como antena. La forma de evitar al máximo estas emisiones es controlar la posición de

los planos de tensión y masa y las corrientes dentro de ellos y proveer una buena

puesta a tierra, así como establecer filtrado con condensadores (desacoplar del modo

común).

El campo creado por estas corrientes responde a la siguiente fórmula:

E ≈ (f · Icm L) / r ; en (V/m)

Siendo Icm la amplitud de la corriente en modo común.

Principios fundamentales para la supresión de energía RF

Se ocupan principalmente de las emisiones de ruido en modo común creado en un PCB

a frecuencias RF (radiofrecuencia). Estas emisiones se pueden generar en todas las

partes del circuito, no sólo en los planos de masa o alimentación.

- Para lógica de alta velocidad, se utilizarán componentes que funcionan a

mayor frecuencia.

- Para minimizar la distribución de corrientes a frecuencias RF, es necesario

cuidar el layout del PCB, posición de los componentes y suministro eléctrico

para permitir que las corrientes a frecuencias RF regresen de forma eficiente

y así evitar que la energía RF sea propagada por el resto de la estructura.

- Para minimizar las corrientes en modo común a frecuencias RF, es necesario

desacoplar los componentes que conmutan minimizando los rebotes y ruidos

en el plano de masa.

- Para minimizar la propagación de corrientes RF, debemos terminar

apropiadamente las líneas.


- Es necesario tener un sistema de referencia de masa óptimo.

Conceptos fundamentales

Como ya hemos comentado, la cancelación o minimización del flujo magnético,

garantiza el cumplimiento de la regulación en cuanto a EMC.

Minimización de emisiones radiadas:

- Minimización de corrientes en modo común

- Minimización de la distribución de corrientes en modo común a través del

circuito.

Cancelación o minimización de flujo:

- Los transitorios de corriente son provocados por la producción de señales de

alta frecuencia

- Las corrientes a frecuencias RF en modo común se crean por caídas de

voltaje a frecuencias RF entre dos dispositivos cuando se disponen de

caminos de vuelta inadecuados.

- Como consecuencia de estas corrientes de frecuencia RF en modo común se

radiará energía.

Es importante remarcar otro concepto importante en cuanto a la cancelación o

minimización de flujo. No todos los componentes se comportan de la misma forma en el

PCB en cuanto a sus corrientes de pull-up / pull-down. Por ejemplo, algunos

dispositivos tienen 15 mA pull-up/ 65 mA pull-down, mientras que otros 65 mA / 65 mA.

En un PCB con muchos componentes tendremos un consumo asimétrico cuando los

componentes conmuten simultáneamente. Este consumo asimétrico crea un

desequilibrio en los planos de masa y de alimentación. Para evitar la emisión de

radiación, la mejor solución es trazar las pistas de señal adyacentes a una referencia de

0v, lo que no siempre será posible.


Componentes y EMC

Los espectros de energía RF se crean como resultado de las corrientes de conmutación

dentro de un PCB. Estas corrientes se crean como subproducto de los componentes

digitales. Cada transición de estado lógico produce una sobretensión transitoria en el

sistema de distribución de potencia. En la mayoría de los casos, la transición no

produce energía suficiente para producir ruido. Pero cuando la velocidad del flanco

(tiempos de subida y bajada muy cortos) de un componente es muy alta se produce

energía RF.

Edge Rate (velocidad de los flancos de conmutación)

Muchos componentes tienen puertas lógicas internas que operan con flancos más

rápidos que lo que se requiere para su funcionalidad, provocando más EMI, por lo que

es preferible usar familias lógicas más lentas en lo que respecta a EMI.

Otro factor importante es el dato de tiempos de subida / bajada del fabricante, que

suele dar un valor máximo, por ejemplo 2 ns, pero es muy probable que el valor real

esté por debajo de 1 ns (que provocaría más EMI), por lo que podríamos equivocarnos

al suponer los valores dados por el fabricante como valores verdaderos.

Existe también un factor que los fabricantes no dan a conocer que es el pico de tensión

que el componente provoca en sus pins al conmutar, y es muy importante, porque es

una posible fuente de EMI.

Como consideración general: no se deben usar dispositivos más rápidos de lo que el

diagrama funcional de tiempos o el circuito realmente necesita.

También es importante señalar que el agente principal de la emisión de energía no es la

frecuencia de trabajo, sino la velocidad de los flancos (que indirectamente se relaciona

con la frecuencia de trabajo). Por ejemplo, un oscilador que ataca un 74F04 (driver)

(1ns de tiempo de subida) generará más energía RF que si ataca un 74ALS04 (4 ns de

tiempo de subida).


Existe otro tema a tratar con respecto a la velocidad de los flancos de subida y bajada,

es necesario inyectar una intensidad que es tanto mayor cuanto menor es el tiempo de

subida o bajada, y por tanto mayor será la interferencia producida.

Familia lógica Cambio brusco de tensión (V)

Capacitancia de entrada (pF)

Margen de ruido (V)

Resistencia de salida (Ω) Bajo/alto

CMOS 5V 5 5 1.2 300 / 300 CMOS 3.3V 3.3 5 0.4 300 / 300

TTL-LS 3.3 5.5 0.4 30 / 150 HCMOS 5 4 0.7 30 / 160 S-TTL 3.3 4 0.3 160 / 160

FAST & AS-TTL 3.3 4.5 0.3 15 / 50 ECL 0.8 3 0.1 15 / 40 GaAs 1 1 0.1 7 / 7

Esta corriente debe ser calculada mediante I = C dV/dt, donde C es la suma de las

capacidades de la carga y de la línea, que es de 0.1 a 0.3 pF/cm para placas de una

capa y de 0.3 a 2 pF/cm para PCB multicapa.

Por ejemplo si tenemos una señal que debe subir 3.5V en 2 ns con una linea de 7 cm

de longitud en un PCB de una capa, con un fanout de 5 puertas, la corriente transitoria

sería:

It = ( 7 · 0.3 · 10-12 + 5 · 5 · 10-12) 3.5 / 2 = 47 mA

Que sería el doble si la transición se hiciera en 1 ns.

Familia lógica Tiempos de subida y bajada publicados

(tr / tf)

Principal armónico

F = (1/π tr)

Frecuencias típicas observadas como EMI.

Fmax = 10 F 74Lxxx 31 – 35 ns 10 MHz 100 MHz 74Cxxx 25 – 60 ns 13 MHz 130 MHz

74HCxxx 13 – 15 ns 24 MHz 240 MHz 74xxx 10 – 12 ns 32 MHz 320 MHz

74LSxxx 9.5 ns 34 MHz 340 MHz 74Hxxx 4 – 6 ns 80 MHz 800 MHz 74Sxxx 3 – 4 ns 106 MHz 1.1 GHz

74HCTxxx 5 – 15 ns 64 MHz 640 GHz 74ALSxxx 2 – 10 ns 160 MHz 1.6 GHz 74ACTxxx 2 – 5 ns 160 MHz 1.6 GHz

74Fxxx 1.5 – 1.6 ns 212 MHz 2.1 GHz GaAs 0.3 ns 1.1 GHz 11 GHz GTL+ 0.3 ns 1.1 GHz 11 GHz


Encapsulado de componentes

Aunque pueden parecer minúsculos, el área de silicio del circuito integrado, los cables

internos de unión a los pins y los patillas de los componentes pueden ser importantes

contribuyentes a la creación de EMI. Esto es especialmente cierto para VLSI y PCBs

muy densos con parámetros de alta velocidad. En estos casos las patillas pueden

convertirse en antenas.

Para que exista inductancia el área de los posibles bucles debe ser reducida, estas

inductancias incluyen la longitud de los cables de unión internos de los circuitos

integrados, condensadores y resistencias, y otros componentes pasivos.

El peor caso dentro de los circuitos integrados es el de los DIP (dual inline package), ya

que la alimentación está en un pin diametralmente opuesto al de la masa, esto crea un

bucle mucho mayor que si estuvieran entrentados (situiación óptima).

Para poder minimizar el área del bucle debemos seleccionar componentes (siempre que

sea posible) con pins de masa y de alimentación localizados en el centro del

encapsulado (no en esquinas opuestas) o físicamente adyacentes entre sí.

Los componentes para montaje superficial (SMT) tienen una ventaja sobre los

componentes THT (through hole) y es que al ser más pequeños y no tener patas

(posibles antenas emisoras), el bucle que se crea es menor, por lo que emitirán menos

energía RF. Además, también las inductancias que se crean en el interior del

encapsulado, provocadas por los cables que conectan la cápsula de silicio con el

exterior, son más pequeñas ya que los cables son más cortos.

Vcc

GND

DIP (típico)

Vcc GND

DIP (óptimo)


veces los componentes THT se insertan en zócalos, estos zócalos eléctricamente son

un conjunto de patas largas que provocan mucha más EMI que las patas de un

componente THT.

Vcc Gnd Vcc Gnd

Vcc Gnd Vcc Gnd

Vcc Gnd

Vcc Gnd

Vcc Gnd

Vcc Gnd

Vcc Gnd Vcc Gnd

Vcc Gnd Vcc Gnd

Vcc

Gnd

Vcc

Gnd

Vcc

Gnd

Vcc

Gnd

Configuración típica para 68 pins

Configuración óptima para 68 pins


Rebotes de masa

Los rebotes de masa es una situación en la que el valor del plano de masa no es 0V

(valor de referencia) sino que es variable. Los transistores de un encapsulado no

recibirán las señales de forma apropiada y por tanto puede perderse la integridad de la

señal, ya que cuando un rebote supere un determinado valor umbral, pueden conmutar

algunos transistores de forma errónea.

Los rebotes de masa son provocados por la conmutación simultánea de muchos

componentes a la vez, asociada a un mal diseño del sistema de masa.

Los rebotes aumentan con los siguientes factores:

- La carga capacitiva aumenta (entrada de los transistores principalmente), el

consumo de picos corriente aumenta.

- La resistencia de la carga disminuye. La corriente aumenta.

- La inductancia de los pins y de las pistas aumentan. Se producen

sobretensiones al abrir/cerrar.

- Muchas puertas (dispositivos) conmutan simultáneamente. Se aumenta el

consumo puntual.

Capacidad entre pins internos

Existe una capacidad entre los pins próximos de un dispositivo. Esta capacidad hace

que la señal que existe en uno pueda influir en la del otro y viceversa, este fenómeno

es el llamado “crosstalk” y aumenta con el “edge rate”, es decir, con la velocidad de los

flancos tanto de subida como de bajada de las señales correspondientes.

Radiadores puestos a tierra

En la mayor parte de los dispositivos que funcionan a alta frecuencia, sobre todo si son

VLSI, es necesario disponer un radiador en la parte superior del componente. Este

radiador se encuentra pegado a la superficie del encapsulado por un material dieléctrico

pero buen conductor del calor.


El principal problema que nos encontramos es que un dispositivo con millones de

transistores en un reducido espacio, conmutando todos a la vez, evidentemente emiten

energía en forma de radiación, además de otros efectos. En el caso de disponer de un

radiador la situación es peor ya que el radiador actúa de antena. Por tanto es

absolutamente necesario establecer una buena conexión a tierra para el radiador,

normalmente en sus cuatro esquinas, de esta manera conseguimos:

- Evacuación del calor generado en el componente

- Un escudo de Faraday para evitar que se emita energía en forma de RF

- Un condensador (el radiador) que elimina la energía de RF en modo común

emitida por el componente.

Filtrado de alimentación para los relojes

Estamos viendo que existe energía no controlada en forma de RF por el circuito. Esta

energía será poco problemática para la mayoría de los componentes, pero en el caso

del generador de la señal de reloj, una señal tan importante es necesario asegurarse de

que esa señal es correcta, para ello se filtra la alimentación, el filtro utilizado no es

simple, puede tener hasta núcleos de ferrita para crear inductancia con las propiedades

adecuadas.

Recomendaciones generales para reducir la radiación RF

Las siguientes recomendaciones ayudan a minimizar la cantidad de energía RF que se

crea con el uso de los dispositivos lógicos, especialmente los digitales:

- Seleccionar aquellos dispositivos que consumen menos corriente de entrada

en las transiciones lógicas.

- Seleccionar la lógica más lenta posible para la función requerida. Hay que

intentar no usar dispositivos cuyos tiempos se muevan en el entorno de

subnanosegundos.

- Seleccionar dispositivos lógicos cuyos pins de alimentación y masa estén

situados en el centro del encapsulado.


- Usar dispositivos con encapsulados protegidos por paredes metálicas

(principalmente osciladores) conectadas a masa.

- Para aquellos componentes con radiadores, conectar a masa los radiadores.


Planos de imagen

Cuando una corriente variable circula por un conductor, que tiene una determinada

inductancia (como una pista de un PCB) crea un campo magnético variable tal que si

introducimos en él otro conductor, se crea una corriente inducida por ese campo

magnético. Este es el funcionamiento básico de los transformadores.

En el caso de los PCB, esto mismo ocurre cuando una pista transporta una señal. Esta

corriente crea un campo magnético que puede inducir una corriente en un conductor

cercano. Este comportamiento es pernicioso en general pero puede ser limitado

mediante el uso de planos de imagen o pistas paralelas a la pista que lleva la señal.

Los planos de imagen son planos dentro del PCB muy cercanos al plano de señal

correspondiente donde se crean las corrientes inducidas mencionadas, de forma que el

efecto pernicioso de las mismas se minimiza. Se llaman planos de imagen porque a

pesar de ser una superficie de material conductor, la corriente inducida recorre un

camino que es la imagen sobre el mencionado plano de la pista que transporta la señal.

Estos planos deben estar conectados a alguna referencia, sea la tensión de

alimentación o masa, para que esa corriente tenga posibilidad de fluir.

Si no existe plano de imagen, la corriente inducida seguirá existiendo y debe volver a la

fuente de alguna forma, por el plano de masa, el de alimentación o por otro camino.

Corriente inducida


Control del área de bucle

Como se ha comentado es importante minimizar el área de los bucles de corriente para

minimizar el campo electromagnético que generan.

También hay que tener en cuenta que las emisiones pueden ser creadas entre las

estructuras de alimentación y de masa, por lo que es necesario también intentar

minimizar los bucles de corriente que se puedan producir.

Vemos que usar planos para la alimentación y para la masa ayuda a reducir la

inductancia del sistema además de aumentar la capacitancia entre los planos, que

reduce el efecto de cualquier tensión inducida, es decir, es una forma de desacoplar.

Fuente Carga

GND GND

Señal

Área de bucle

Áreas de bucle para PCB de una capa

Menor área

C.I. C.I.

Alimentación

Masa

C.I. C.I.

Alimentación

Masa

Plano de alimentación

Plano de masa

Áreas de bucle extremadamente pequeña para PCB multicapa


Líneas de transmisión

Con los productos de alta tecnología actuales y los dispositivos lógicos más rápidos, las

líneas de transmisión dentro de un PCB se han convertido en un factor limitador de la

operación adecuada del circuito.

Una línea de transmisión es un sistema de conductores, como cables, pistas, cables

coaxiales, que son capaces de llevar potencia eléctrica o señales de forma eficiente

entre dos o más terminales.

Para cumplir los requerimientos los PCB multicapa actuales deben:

- Reducir el retardo de propagación entre dispositivos.

- Gestionar las reflexiones e interacción entre líneas de las lineas de

transmisión (integridad de señal).

- Reducir las pérdidas de señal.

- Permitir interconexiones de alta densidad.

Para comprender mejor el funcionamiento de un PCB en cuanto a EMC es necesario

entender que la energía eléctrica se transmite mediante campos electromagnéticos. No

sólo mediante el movimiento de electrones.

El circuito equivalente de una línea de transmisión se compone de una inductancia por

una inductancia serie y una capacitancia en paralelo, ambas distribuidas en toda la

longitud de la línea (por tanto serán por unidad de longitud).

Con este circuito equivalente, cualquier señal que se transmita, no lo va a hacer

idealmente, y va a pasar un determinado tiempo de transmisión. Este tiempo de

transmisión será tanto mayor cuanto mayor sea la longitud de la línea y la capacidad

del dispositivo al que ataca, es necesario tener en cuenta estos tiempos ya que a altas

frecuencias de señal puede afectar.

L1 L2 L3 L4 L5

L1’ L2’ L3’ L4’ L5’

C1 C2 C3 C4 C5 C6

Línea de retorno, por ejemplo en un plano de imagen


También existen otros fenómenos importantes que hay que tener en cuenta en las

líneas de transmisión: rebotes, oscilaciones (ringing), sobretensiones e infratensiones.

- Rebotes, siempre que no esté de alguna manera adecuadamente terminada

la línea (por ejemplo con resistencias), se producirán rebotes de la onda

electromagnética transmitida. Es posible que estos rebotes no tengan

importancia ya que el tiempo de ida y vuelta (round trip) es mucho menor

que el periodo de la señal a transmitir.

- Ringing, se producen transitorios oscilatorios en la señal antes del

establecimiento, suele ser provocado por una alta inductancia en la carga.

- Sobretensions, que pueden afectar a los componentes que ataca la línea y

romperlos, suele ser provocado por alta inductancia en la carga.

- Infratensiones, se produce una variación más lenta de lo normal de la señal,

lo que aumenta el tiempo de transmisión, es producida por una alta

capacitancia en la carga.


Puesta a tierra

Una masa es usualmente definido como un punto equipotencial que sirve como

referencia entre dos o más elementos. Esto normalmente no se consigue ya que en el

plano de masa, distintos puntos estarán a distinto potencial, esto será tanto más verdad

cuantas más corrientes de retorno pasen por el plano de masa. Este fenómeno es

debido a que el plano de masa tiene una determinada impedancia.

En este esquema vemos que los dos subsistemas no tienen la misma tensión de

referencia (VREF1 ≠ VREF2 ≠ 0V), este problema se agrava a altas frecuencias, cuando el

efecto inductivo se hace más importante.

VREF1 = Zg1 · (I1 + I2) ≠ VREF2 = Zg2 · I2 + Zg1 · (I1 + I2)

Este comportamiento no es deseable, por lo que es necesario establecer métodos para

minimizar este efecto, como por ejemplo, puesta a tierra en un único punto.

Plano de masa

Subsistema 1 Subsistema 2

I1 I2 Zg2 Retorno

Fuente

VREF1 VREF2

Zg1

Introducción · 2011. 4. 1. · diseño con un determinado margen de seguridad, y dando la...

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