Técnicas de diseño para Compatibilidad

Electromagnética“En teoría, teoría y práctica son lo mismo. En la

práctica, no lo son” - A. Einstein.

Agenda

● ¿Qué es compatibilidad electromagnética (EMC)?○ Elementos de un problema

● Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal

● Acoplamiento radiado: Blindaje● Problema: Diseño de PCB● Aplicación: Circuitos de señal mixta

¿Qué es EMC?

“Es una rama de las ciencias eléctricas dedicada al estudio de la generación no intencional de energía electromagnética en referencia a efectos no deseados que dicha energía puede producir” - Wikipedia

¿Qué es EMC?

En realidad es...

¿Qué es EMC?

¡¡¡Unos cuantos mV en el generador pueden hacer que se supere los límites permitidos en la emisión radiada según norma CISPR clase B!!!

EMC:Elementos del problema (1)Dónde empezar...

Fuente VíctimaAcoplamiento

Rayos Cables Circuito Integrado

Transmisor de RF Antenas Receptor de RF/Audio/Vídeo

Pista de alta velocidad Tierras comunes Pista de alta velocidad

Motor eléctrico Líneas de alimentación Teléfonos

Arcos Capacidades parásitas Controles electrónicos

Displays Inductancias parásitas Displays

... ... ...

Emisión y susceptibilidad

FuenteAcoplamiento

EMC:Elementos del problema (2)

VíctimaSUSCEPTIBILIDAD

Acoplamiento

Rayos Cables Circuito Integrado

Transmisor de RF Antenas Receptor de RF/Audio/Vídeo

Pista de alta velocidad Tierras comunes Pista de alta velocidad

Motor eléctrico Líneas de alimentación Teléfonos

Arcos Capacidades parásitas Controles electrónicos

Displays Inductancias parásitas Displays

... ... ...

VíctimaFuente

EMISIÓN

Dado que el acoplamiento es bidireccional, en general las mismas técnicas resuelven problemas de emisión y susceptibilidad.

Está regulado:- Niveles de emisión:

- Una fuente no puede emitir más de una cierta energía- Niveles de susceptibilidad:

- Una víctima tiene que tolerar al menos un cierto valor de interferencia

EMC:Elementos del problema (3)¡Atacar el verdadero problema!

Fuente VíctimaAcoplamiento

Rayos Cables Circuito Integrado

Transmisor de RF Antenas Receptor de RF/Audio/Vídeo

Pista de alta velocidad Tierras comunes Pista de alta velocidad

Motor eléctrico Líneas de alimentación Teléfonos

Arcos Capacidades parásitas Controles electrónicos

Displays Inductancias parásitas Displays

... ... ...

Acoplamiento Radiado Acoplamiento Conducido

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señalAnécdota: Uno de los primeros problemas de EMC, se lo toparon en IBM:No funciona: ¿Por qué?

Conector de datos de 8 bits

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señal

Regla 1:

¡La corriente siempre retorna a SU fuente!

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señalAnálisis en frecuencia:- El camino más directo para la RF...

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señalAnálisis en frecuencia:- El camino más directo para la RF no es el

obvio, sino el de menor Z.

L!

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señalEjemplos:

¿Por dónde vuelve la corriente en cada frecuencia?

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señalEjemplos:

¿Por dónde vuelve la corriente en cada frecuencia?

ContinuaAlta frecuencia

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señal

Regla 2:El camino de retorno depende de la frecuencia

(impedancia…)

Densidad de corriente de una línea sobre un plano de “masa”:a.) para alta frecuencia - b.) para continua

Acoplamiento conducido:Tierra vs. Retorno de señal

De la Regla 1 y 2 surge:

Densidad de corriente de una línea sobre un plano de “masa”:a.) para alta frecuencia - b.) para contínua

Acoplamiento radiado:BlindajeEs lo más común de encontrar...

Acoplamiento radiado:BlindajePero es “caro” (¡no solo en costo!)- Dificultad en la fabricación/ensamblado- Ocupa lugar preciado- ¡Puede no funcionar!Entonces:- ¿Es necesario?- ¿Qué material uso?- ¿Qué geometría?- ¿Qué espesor?- ¿...?

Acoplamiento radiado:BlindajeHay que saber… ¡A repasar electromagnetismo!

Acoplamiento radiado:BlindajeEn ecuaciones (resumidas):

Acoplamiento radiado:BlindajeIntentando ver qué implica esto:

- Recordando que para buenos conductores :

- Y como para estos materiales , queda:

Acoplamiento radiado:BlindajeEntonces si definimos el coeficiente de efectividad del blindaje queda:

O lo que es lo mismo:

Acoplamiento radiado:BlindajeEjemplo:- Blindaje de cobre de 2 mils (50.8 μm)

@100MHz :

En la vida real, magnitudes de más de 120 dB no se pueden medir, por lo que este blindaje (@ 100 Mhz) no es mejor en

la práctica que uno que atenúe 120 dB.

Para experimentar un poco, un calculador web:http://www.cvel.clemson.edu/emc/calculators/SE_Calculator/index.html

Acoplamiento radiado:BlindajePero… ¿siempre funciona así el blindaje?- NO.En general nos encontramos en condiciones de

CAMPO CERCANO:si r << λ (con r=distancia) E y B están

desacoplados

Acoplamiento radiado:Blindaje

Entonces:- Una fuente puede pensarse como 2 fuentes independientes:

Acoplamiento radiado:Blindaje

Entonces:- Las impedancias de onda para campo eléctrico y magnético

pueden aproximarse a:

- Y el coeficiente de reflexión queda:

Aunque esta es una aproximación, puede indicar el orden de efectividad del blindaje.

Acoplamiento radiado:Blindaje

Otro ejemplo:Transformador que trabaja a 1,5 kHz y tiene un blindaje de cobre de 1 cm de espesor y se encuentra a 10 cm.

Otro calculador web:http://www.cvel.clemson.edu/emc/calculators/SE_Calculator/nearfieldSE.html

Problema:Diseño de PCBTeniendo en cuenta las 3 reglas básicas:1. Minimizar la longitud de las pistas de alta velocidad.2. Separar los planos digitales de los analógicos.3. Nunca cruzar una pista de alta velocidad sobre una

separación de planos.

¿Qué diseño es el adecuado?

Aplicación: circuitos de señal mixta

Aplicación: circuitos de señal mixta¿Por donde vuelve la corriente de 56 Mhz?

Aplicación: circuitos de señal mixtaMasa vs. retorno de señal:· El propósito del plano de tierra de un sistema es proveer un voltaje de referencia y/o un camino seguro para corrientes de falla.

· Corrientes de señal fluyendo por un conductor de tierra pueden evitar que el conductor sirva a su fin.

· NO confundir conductores de tierra con conductores de retorno de señal.

· Las reglas para rutear ambos pueden entrar en conflicto.

Aplicación: circuitos de señal mixtaErrores conceptuales:

· Estas son estrategias de conexionado a “tierra” no de retorno de señal.

Aplicación: circuitos de señal mixtaMasa vs. retorno de señal:· Plano de tierra:

·Plano de retorno de señal:

· Plano de doble función:

Aplicación: circuitos de señal mixtaMasa vs. retorno de señal, conclusiones:

¡Circuitos tienen que tener plano de masa de alta frecuencia!¿Por qué?· Conductores referidos a distintos planos suelen ser buenas antenas.· Señales referenciadas a dos planos son ruidosas (porque incluyen el ruido entre los dos planos)· Diseños con más de un plano suelen ser más difíciles, necesitan más espacio y son más propensos a errores críticos.· Excusas para requerir más planos están basadas en información vieja o errónea.

Aplicación: circuitos de señal mixtaMasa vs. retorno de señal, precauciones:Planos de masa divididos en general se usan para controlar los caminos de retorno de señales de baja frecuencia (< 100 kHz).(Ej: Aislar el negativo de una batería de auto del común digital - Aislar circuitos digitales de señales de audio)

Esto puede ser ocasionalmente necesario para impedir el acoplamiento de impedancias comunes con circuitos de baja frecuencia y altas corrientes.

AÚN ASÍ, es necesario que exista solo UN plano de alta frecuencia.

Aplicación: circuitos de señal mixtaUbicación de componentes: MALA.

Aplicación: circuitos de señal mixtaUbicación de componentes: BUENA.

Aplicación: circuitos de señal mixtaConexión al chasis:

Los gabinetes y cables son buenas antenas si no están al mismo potencial.

Por razones de seguridad casi siempre es necesario aislarlos en baja frecuencia, pero hay que proveer una buena conexión para alta.

Resumen● Identificar la masa para HF y asegurarse que sea el

único plano grande o lo único conectado a algo grande.

● No llamar a ninguna net más en el circuito “masa”, en cambio usar “retorno”.

● Estar atento de donde fluyen las corrientes de HF y LF.

● Aislar retornos (cortando planos) solamente cuando sea necesario para controlar corrientes de LF

● Si se aislan planos en LF asegurarse que estén bien conectados en HF.

Referencias!!!● http://www.cvel.clemson.edu

● Electromagnetic Compatibility Engineering – 2009 - Henry Ott

● C. R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd Ed., Wiley Series in Microwave and Optical Engineering, 2006.

● http://www.learnemc.com

¿Preguntas?

M. Faraday