Como abordar a compatibilidade e interferência eletromagnética no projeto de PCB

Técnica 1: Aterramento da PCB
Uma das maneiras mais eficazes de reduzir EMI é através do aterramento da PCB. Comece maximizando a área de aterramento em todo o PCB, que ajuda a minimizar as emissões, Crosstalk, e barulho. Cuidado extra deve ser tomado para conectar cada componente ao ponto ou plano de aterramento, pois não fazer isso nega os benefícios neutralizantes de um plano terrestre confiável.

Projetos complexos de PCB geralmente apresentam vários níveis de tensão estáveis. Idealmente, cada tensão de referência deve ter um plano de aterramento dedicado. No entanto, ter muitos aviões terrestres pode aumentar os custos de fabricação. Uma abordagem equilibrada é usar três a cinco planos terrestres em locais estratégicos, com cada avião cobrindo múltiplas seções do solo. Este método ajuda a controlar os custos de fabricação enquanto reduz EMI e EMC.

Para minimizar a EMC, um sistema de aterramento de baixa impedância é essencial. Em PCBs multicamadas, um plano de aterramento robusto é preferível a um bloco de equilíbrio de cobre ou áreas de aterramento dispersas, pois oferece baixa impedância, um caminho atual claro, e uma fonte de sinal de retorno ideal.

O tempo de retorno do sinal é outro fator crítico. Os sinais devem viajar de e para sua fonte dentro de prazos equivalentes. De outra forma, eles agem como antenas, transformando energia irradiada em EMI. De forma similar, os traços que transmitem corrente de e para a fonte de sinal devem ser tão curtos quanto possível. Comprimentos desiguais do caminho de origem e retorno podem levar ao ressalto do solo, contribuindo ainda mais para a EMI.

Técnica 2: Distinguindo fontes de EMI
Como diferentes fontes de EMI variam em características, um princípio sólido de projeto EMC é separar os circuitos analógicos dos circuitos digitais. Circuitos analógicos, que muitas vezes envolvem correntes mais altas, devem ser mantidos longe de traços de alta velocidade ou sinais de comutação. Quando possível, sinais de terra devem ser usados ​​para protegê-los. Em PCBs multicamadas, traços analógicos devem ser roteados sobre um plano de terra, enquanto a comutação ou traços de alta velocidade devem ser sobre outro, garantindo que sinais com características diferentes permaneçam isolados.

Às vezes, um filtro passa-baixa pode ser empregado para eliminar ruído de alta frequência acoplado a traços próximos.. Esses filtros ajudam a suprimir o ruído e estabilizar o fluxo de corrente. Separar os planos de terra para sinais analógicos e digitais é igualmente crítico. Circuitos analógicos e circuitos digitais apresentam características únicas, necessitando de aterramento independente. Os sinais digitais devem terminar em um aterramento digital, enquanto os sinais analógicos devem terminar em um aterramento analógico.

Engenheiros experientes de layout de PCB prestam muita atenção aos sinais e relógios de alta velocidade no projeto de circuitos digitais. Para sinais de alta velocidade, os traços e relógios devem ser tão curtos quanto possível e localizados próximos aos planos terrestres. Isso minimiza a interferência, barulho, e radiação, mantendo-os sob controle.

Os sinais digitais também devem ser mantidos longe dos aviões de energia. A proximidade entre esses planos pode induzir ruído ou diafonia, enfraquecendo a integridade do sinal.

Design de PCB

Técnica 3: Priorizando a redução de diafonia no design de rastreamento
O design adequado do traçado é crucial para garantir um fluxo de corrente suave. Para correntes provenientes de osciladores ou dispositivos similares, é vital separá-los dos planos terrestres ou evitar roteamento paralelo com outros traços, particularmente traços de alta velocidade. Sinais paralelos de alta velocidade são propensos a problemas de EMC e EMI, especialmente diafonia. Os caminhos de resistência ao traço devem ser mantidos tão curtos quanto possível, com caminhos de corrente de retorno igualmente minimizados. Os comprimentos do rastreamento do caminho de retorno devem corresponder aos comprimentos do rastreamento de transmissão.

Em contextos EMI, um traço é frequentemente rotulado como o “agressor” enquanto o outro é o “vítima.” Acoplamento indutivo e capacitivo devido a campos eletromagnéticos pode afetar o rastreamento da vítima, induzindo correntes para frente e para trás que levam à ondulação nos sinais.

Em um ambiente ideal e equilibrado, correntes induzidas se cancelariam, eliminando diafonia. No entanto, as condições do mundo real raramente permitem a perfeição, tornando essencial minimizar a interferência. Manter um espaçamento entre traços paralelos que seja pelo menos o dobro da largura do traço pode reduzir significativamente a diafonia. Por exemplo, se a largura do traço for 5 Mils, o espaçamento entre traços paralelos deve ser 10 mils ou mais.

Técnica 4: Desacoplamento de capacitores
Os capacitores de desacoplamento ajudam a mitigar os efeitos adversos do crosstalk. Eles devem ser colocados entre os pinos de alimentação e aterramento de um dispositivo para garantir baixa impedância CA, reduzindo ruído e diafonia. O uso de vários capacitores de desacoplamento em uma ampla faixa de frequência garante desempenho ideal.

O capacitor de menor valor deve ser colocado o mais próximo possível do dispositivo para minimizar os efeitos indutivos no traço. Este capacitor deve se conectar diretamente ao pino de alimentação ou traço de energia do dispositivo, com suas almofadas ligadas às vias ou ao plano de terra. Para traços mais longos, múltiplas vias podem minimizar a impedância de aterramento.

Técnica 5: Evitando ângulos de 90°
Para reduzir EMI, evite criar ângulos de 90° nos traços, vias, ou outros componentes, pois ângulos agudos podem levar ao aumento da radiação. Nestes pontos, aumentos de capacitância e mudanças de impedância característica, causando reflexos e EMI. Use dois ângulos de 45° para rotear traços em torno dos cantos.

Técnica 6: Uso Cuidadoso de Vias
Vias são frequentemente indispensáveis ​​em layouts de PCB, fornecendo conexões condutoras entre camadas. No entanto, eles introduzem indutância e capacitância, e em alguns casos, reflexões devido a mudanças de impedância nos traços.

Vias também estendem comprimentos de rastreamento, exigindo correspondência de comprimento adequada. Para pares diferenciais, evite vias se possível. Se inevitável, garantir que ambos os traços no par usem vias para compensar o atraso no sinal e nos caminhos de retorno.

Técnica 7: Cabo e blindagem física
Cabos que transportam correntes digitais e analógicas geralmente geram capacitância e indutância parasitas, levando a problemas de EMC. Cabos de par trançado mantêm baixos níveis de acoplamento, eliminando campos magnéticos. Sinais de alta frequência requerem cabos blindados aterrados em ambas as extremidades para evitar interferência EMI.

A blindagem física envolve envolver todo ou parte do sistema em metal para impedir a entrada de EMI no circuito PCB. Essa blindagem atua como um recipiente condutor aterrado, reduzindo o tamanho do loop da antena e absorvendo EMI.

Técnica 8: Blindagem e Filtragem

1. Adicionando Blindagem: Use blindagens metálicas ou camadas de proteção para reduzir EMI quando necessário. Os componentes de alta frequência devem ser isolados usando caixas de blindagem para evitar interferência com outros componentes.
2. Filtros e Supressores: Adicione filtros passa-baixo para suprimir ruídos de alta frequência e supressores para controlar a interferência eletromagnética. Essas medidas ajudam a manter o crosstalk, barulho, e níveis de radiação dentro de limites aceitáveis.

Técnica 9: Simulação e Validação

1. Realize análises de campo eletromagnético e radiação usando software de simulação após concluir o projeto da PCB para identificar possíveis problemas de EMI.
2. Otimize o projeto da PCB com base nos resultados da simulação para garantir a conformidade com os requisitos de EMC.

Ao aplicar essas técnicas, engenheiros podem projetar placas de circuito mais eficientes e estáveis, reduzindo a interferência eletromagnética e melhorando o desempenho geral do sistema. Siga LSTCB para obter mais informações sobre PCB, PCBA, e dicas de design de componentes, e aproveite serviços gratuitos de prototipagem!