Técnicas de diseño para Compatibilidad Electromagnética y altas frecuencias

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Vanesa López Vargas
hace 5 años
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1 Técnicas de diseño para Compatibilidad Electromagnética y altas frecuencias En teoría, teoría y práctica son lo mismo. En la práctica, no lo son - A. Einstein.

2 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

3 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

4 Qué es EMC? En realidad es...

5 Qué es EMC? Es importante? Unos cuantos mv en el generador pueden hacer que se supere los límites permitidos en la emisión radiada según norma CISPR clase B!!!

6 EMC: Elementos del problema (1) Dónde empezar... Fuente Acoplamiento Víctima 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

7 EMC: Elementos del problema (2) Emisión y susceptibilidad Víctima Fuente Acoplamiento Acoplamiento EMISIÓN Fuente Víctima SUSCEPTIBILIDAD Rayos Cables Circuito Integrado Dado que el acoplamiento es bidireccional, en general las mismas técnicas resuelven problemas de emisión y Antenas susceptibilidad. Transmisor de RF Receptor de RF/Audio/Vídeo Pista de alta velocidad Tierras comunes Pista de alta velocidad Está regulado: Motor Líneas de alimentación Teléfonos - eléctrico Niveles de emisión: - Una fuente no puede emitir más de una cierta energía Arcos Capacidades parásitas Controles electrónicos - Niveles de susceptibilidad: Displays - Una víctima tiene que Inductancias parásitas Displays tolerar al menos un cierto valor de interferencia

8 EMC: Elementos del problema (3) Atacar el verdadero problema! Acoplamiento Radiado Fuente Acoplamiento Conducido Acoplamiento Víctima 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

9 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Uno de los primeros problemas de EMC, se lo toparon en IBM: No funciona: Por qué? Conector de datos de 8 bits

10 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Concepto: La corriente siempre retorna a SU fuente!

11 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Análisis en frecuencia: - Por donde vuelve la corriente que circula por R?

12 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Análisis en frecuencia:

13 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Análisis en frecuencia: - El camino más directo para la RF no es el obvio, sino el de menor Z. L!

14 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Ejemplos: Por dónde vuelve la corriente para cada frecuencia?

15 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Ejemplos: Por dónde vuelve la corriente para cada frecuencia?

16 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Ejemplos (rta): Por dónde vuelve la corriente en cada frecuencia? Continua Alta frecuencia

17 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal Concepto: 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

18 Acoplamiento conducido: Tierra vs. Retorno de señal De los conceptos surge: Densidad de corriente de una línea sobre un plano de masa : a.) para alta frecuencia - b.) para contínua

19 Acoplamiento radiado: Blindaje Es lo más común de encontrar...

20 Acoplamiento radiado: Blindaje Pero 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? -...?

21 Acoplamiento radiado: Blindaje Veamos A repasar electromagnetismo!

22 Acoplamiento radiado: Blindaje En ecuaciones (resumidas):

23 Acoplamiento radiado: Blindaje Intentando ver qué implica esto: - Recordando que para buenos conductores - Y como para estos materiales, queda: :

24 Acoplamiento radiado: Blindaje Entonces si definimos el coeficiente de efectividad del blindaje queda: O lo que es lo mismo:

25 Acoplamiento radiado: Blindaje Ejemplo: - Blindaje de cobre de 2 mils (50.8 : 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:

26 Acoplamiento radiado: Blindaje Pero 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

27 Acoplamiento radiado: Blindaje Entonces: - Una fuente puede pensarse como 2 fuentes independientes:

28 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.

29 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:

30 Problema: Diseño de PCB Tengamos en cuenta las siguientes 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.

31 Problema: Diseño de PCB Qué diseño es el adecuado según lo anterior?

32 Aplicación: circuitos de señal mixta

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

34 Aplicación: circuitos de señal mixta Masa 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.

35 Aplicación: circuitos de señal mixta Errores conceptuales: Estas son estrategias de conexionado a tierra no de retorno de señal.

36 Aplicación: circuitos de señal mixta Masa vs. retorno de señal: Plano de tierra: Plano de retorno de señal: Plano de doble función:

Señales referenciadas a dos planos son ruidosas (porque incluyen el ruido entre los dos planos) Diseños con más de un plano

37 Aplicación: circuitos de señal mixta Masa vs. retorno de señal, conclusiones: Circuitos tienen que tener alta frecuencia! plano de masa de 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.

38 Aplicación: circuitos de señal mixta Masa 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.

39 Aplicación: circuitos de señal mixta Ubicación de componentes: MALA.

40 Aplicación: circuitos de señal mixta Ubicación de componentes: BUENA.

41 Aplicación: circuitos de señal mixta Conexión 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.

42 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.

43 Referencias!!! Electromagnetic Compatibility Engineering 2009 Henry Ott C. R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd Ed., Wiley Series in Microwave and Optical Engineering,

44 Preguntas? M. Faraday

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