Pautas de diseño de PCB para minimizar las transmisiones de RF

Hay ciertas pautas de diseño para PCB que no tienen mucho sentido y prácticas que parecen excesivas e innecesarias. A menudo, estos están motivados por la magia negra que es la transmisión de RF. Esta es una consecuencia desafortunada e involuntaria de los circuitos electrónicos, o una característica mágica y útil de ellos, y se dedica mucho tiempo de diseño a reducir o eliminar estos efectos o ajustarlos.

Se pregunta qué tan importante es esto para sus proyectos y si debe preocuparse por las emisiones radiadas no intencionales. En la escala de importancia de Baddeley:

Cuando una señal se mueve por un cable, se crea un campo eléctrico en el espacio que la rodea. Si se trata de una señal de CC, entonces el campo no cambia, por lo que no sucede nada emocionante en el mundo de RF, todo es constante. Pure DC es muy raro. Las baterías pueden hacerlo, a menos que esté regulando el voltaje de conmutación, pero cualquier cosa conectada a la corriente de la pared tendrá ondas sinusoidales de 50 o 60 Hertz, que luego se rectificarán, transformarán, suavizarán, empujarán y empujarán en algo como un voltaje de CC. . En realidad (y dependiendo de la calidad de la fuente de alimentación), esta fuente se ondulará y creará pequeños cambios en el voltaje de CC, creando efectivamente un pequeño campo eléctrico cambiante. Otras cosas, como los osciladores de cristal, las líneas de señal entre chips y los buses de memoria tienen señales de voltaje cambiantes que viajan a lo largo de un cable de un lugar a otro. Por lo tanto, la electrónica está inundada de señales y campos eléctricos cambiantes. Son estos campos eléctricos cambiantes, a través de muchas matemáticas, en su mayoría descubiertos por Maxwell, Faraday y Gauss, lo que da como resultado que el campo eléctrico se convierta en radiación electromagnética.

La frecuencia de la radiación es la frecuencia con la que cambian los campos eléctricos, y hay muchos factores que afectan eso. Uno es la forma del cable por el que viaja el campo eléctrico. Si tiene algo llamado par diferencial, los campos eléctricos que bajan por el cable se cancelan entre sí, lo que casi no produce transmisión. Si tiene un cable que no se conecta en el otro extremo, entonces la señal puede descender y reflejarse. Si la longitud del cable se ajusta para que cuando se refleje amplifique la onda en lugar de cancelarla, entonces tiene una buena antena. Volviendo a la frecuencia, nunca es una onda sinusoidal perfecta; es una combinación de ondas de diferentes frecuencias. Un receptor de antena tiene componentes electrónicos que deconstruyen esas frecuencias dentro de un rango para extraer una señal. Las cosas modernas son principalmente FM, por lo que hay una frecuencia portadora principal y se modifica ligeramente con la señal de datos.

Una antena de rastreo es una antena hecha de una pequeña tira de alambre de cobre en la PCB que resuena a ciertas frecuencias. Esto podría ser intencional, como un diseño de antena F para transceptores de 2,4 GHz, o podría ser accidental, como un vertido en el suelo que da como resultado una tira larga y delgada. Para evitar esto, examine cuidadosamente los vertidos en el suelo en busca de rastros que no vayan a ninguna parte. O elimínalos o coloca una vía para que el rastro no pueda resonar. Mantenga su terreno lo más manchado posible. Cuantos más dedos tenga, y cuanto más lo corte, estire y separe, más radiación involuntaria tendrá. Como regla general, no tenga cables que no estén conectados en ambos extremos a menos que esté creando una antena intencionalmente. Esto puede aplicarse a la E/S de la placa que no está conectada. Después de todo, si no hay nada conectado a ese conector IO, es solo un rastro que no lleva a ninguna parte. Si su microcontrolador es lo suficientemente inteligente como para detectar cuándo se desconecta un cable, no envíe ninguna señal por ese cable. Ate todos sus IO no utilizados a tierra.

Una traza que esté cerca del borde de la placa y más alejada de una capa del plano de tierra irradiará más interferencias electromagnéticas. La costura de vías se refiere a colocar un anillo de vías unido al plano de tierra alrededor del borde de la PCB (o tanto como sea posible). También puede alinear los lados de un rastro de señal con vías para reducir la EMI del rastro. Además, una buena dosis de vías debe conectar el vertido de tierra al plano de tierra (si tiene una capa de tierra separada en un tablero de 4 capas, o si su tablero de 2 capas está mayormente molido en la parte inferior). Esto evita antenas accidentales y también asegura que todo el terreno permanezca al mismo potencial todo el tiempo.

Las hojas de datos para microcontroladores y reguladores de potencia tienen condensadores de desacoplamiento o derivación conectados a los pines de alimentación. Estos chips no usan la misma cantidad de energía constantemente; varían ligeramente a medida que el chip hace su trabajo, a veces necesitando una oleada de energía brevemente. Esto se vería como una señal que cambia rápidamente en los pines de alimentación. El propósito de la tapa de desacoplamiento es tener una pequeña reserva de energía justo al lado de esos pines de alimentación para que cuando el chip fluctúe de forma salvaje y rápida, el capacitor pueda suavizar esas demandas de energía sin propagar ese cambio rápido a través de los rastros de energía. La perla de ferrita se usa generalmente cuando se conecta una fuente de alimentación conmutada al plano de alimentación, ya que aísla el ruido de la fuente, por lo que se coloca (junto con un condensador de desacoplamiento) junto a la salida de la fuente de alimentación.

¿Por qué harías un cable más largo de lo necesario? A veces es necesario forzar un seguimiento para que tome una ruta bastante tortuosa (jejeje) para pasar de un contacto a otro. Esta regla se trata más bien de priorizar qué rutas se acortan y cuáles pueden ser más largas. En general, cuanto más rápido viaje la señal por el cable, mayor será la prioridad y más corta será la longitud de seguimiento ideal. El cristal debe estar lo más cerca posible del microcontrolador, con los cables directamente entre los dos. Cada milímetro adicional es más campo eléctrico cambiante y más emisiones. Un UART puede tener cables mucho más largos porque la señal no cambia tan rápido y los rieles de voltaje positivo pueden serpentear por todas partes. Esta es una buena práctica también porque las señales más rápidas significan que desea menos distancia entre los componentes para minimizar la latencia, pero la prevención de RF también es importante.

Debido a que su PCB va a tener algunas conexiones de cable, o conexiones de placa a placa, o conexiones de chip a chip, cada una posiblemente con trazas largas, puede agregar un poco de filtrado a las trazas para reducir su ruido colocando resistencias en serie y un condensador de derivación. a tierra lo más cerca posible de la fuente de ruido (generalmente el microcontrolador).

Estos son súper ruidosos, y cuanto más baratos son, más atajos se toman. No solo emitirán radiación de RF con armónicos de 50/60 Hz, sino que la fuente de alimentación conmutada, que generalmente opera a frecuencias de cientos de KHz, también es responsable de una buena parte del ruido. Luego, la salida puede no ser muy estable, por lo que es mucho ruido que viaja por el cable y se irradia, hasta que llega a su proyecto, que luego estará funcionando con una potencia ruidosa. Sin mencionar las preocupaciones de seguridad de las fuentes de alimentación baratas.

Una cosa que no hace la diferencia son los ángulos en las trazas. Resulta que incluso más allá de las velocidades de 1 GHz, los ángulos de 90 grados en las trazas no tienen diferencias medibles sobre otros ángulos en la EMI radiada.

Si desea una nota de aplicación más completa sobre el diseño de PCB para reducir las emisiones, consulte el informe técnico de TI sobre el tema. Además, consulte nuestra guía sobre cómo preparar su producto para la FCC.