Diseño de EMC: cómo pasar las pruebas de CE/FCC en el primer intento
Una guía práctica sobre las pruebas previas a la conformidad con las normas de compatibilidad electromagnética, el diseño de las placas de circuito impreso para reducir las emisiones y los modos de fallo comunes que provocan fallos en el primer intento en el centro de pruebas.
Por qué la mayoría de los productos fallan a EMC en el primer intento
Aproximadamente del 50 al 70% de los productos no pasan las pruebas de EMC en su primera presentación. El costo es considerable: el tiempo de laboratorio esde 5000 por día, y una prueba fallida implica rediseñar la PCB, reconstruir los prototipos y cambiar la reserva. Sin embargo, la mayoría de las fallas se pueden prevenir con buenos hábitos previos al cumplimiento.
En esta guía se describen los modos de fallo más comunes y cómo solucionarlos antes de entrar en un centro de pruebas.
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Comprender los estándares
Marcado CE (Europa)
Para el marcado CE, los productos electrónicos deben cumplir con la Directiva de compatibilidad electromagnética (2014/30/UE) . Para la mayoría de los productos, realizarás pruebas con:
- CISPR 32 (equipo multimedia, que sustituye a la EN 55022)
- CISPR 25 (componentes del vehículo)
- EN 61000-4-x (pruebas de inmunidad)
Parte 15 de la FCC (Estados Unidos)
La parte 15B cubre los radiadores no intencionados, es decir, cualquier cosa con una frecuencia de reloj superior a 9 kHz. La clase A es para uso comercial/industrial, la clase B para uso residencial.Límites clave
| Estándar | Prueba | Límite (clase B) | Distancia |
|---|---|---|---|
| CISPR 32 | Radiado | 30 dBμV/m (30—230 MHz) | 3 m |
| CISPR 32 | Conducido | 66—56 dBμV (0,15—30 MHz) | — |
| FCC 15B | Radiado | 100 μV/m (30—88 MHz) | 3 m |
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La física de la EMI: por qué irradian los PCB
Cada bucle de corriente de su PCB es una antena pequeña. El campo eléctrico irradiado desde un bucle pequeño es:
De esta ecuación, surgen tres palancas de diseño:
1. Reduce el área del bucle: mantén las rutas de retorno cerca de las rutas de señal 2. Reduzca el contenido de frecuencia: utilice bordes más lentos, añada amortiguadores RC 3. Reduzca la corriente: utilice la terminación en serie, reduzca la potencia de la unidad
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Las 5 causas principales de los fracasos en el primer intento
1. Ruido de conmutación de la fuente de alimentación
Los convertidores Buck y Boost generan importantes emisiones conducidas y radiadas en sus frecuencias de conmutación y armónicos. Un conmutador de 200 kHz puede producir una cantidad significativa de energía a 600 kHz, 800 kHz, 1 MHz...
Solución: Añada un estrangulador de modo común y condensadores X/Y en el punto de entrada de alimentación. Usa la [calculadora Common Mode Choke] (/calculators/emc/common-mode-choke) para dimensionarlo. Consiga una atenuación de 40 dB en la frecuencia del problema.2. Armónicos osciladores Crystal/Clock
Un cristal de 48 MHz tiene armónicos a 96, 144 y 192 MHz, todos en la banda de prueba CISPR. Los relojes digitales de alta velocidad son la fuente más común de fallos en las emisiones radiadas.
Solución:- Utilice la sincronización de espectro ensanchado (SSC) si su MCU la admite; por lo general, reduce los picos de emisiones entre 10 y 15 dB
- Añade perlas de ferrita en las líneas del reloj
- Proteja el oscilador o colóquelo sobre una capa interior con chorros de tierra por encima y por debajo
3. Emisiones conducidas en modo diferencial desde SMPS
La ondulación de conmutación en la entrada/salida de un convertidor genera emisiones conducidas en modo diferencial.
Solución: Añada un filtro LC. Utilice la [calculadora de filtros de emisiones conducidas] (/calculators/emc/conducted-emissions-filter) para diseñarlo. Coloque la capacitancia volumétrica cerca del convertidor y asegúrese de que la conexión a tierra sea corta.4. Diseño deficiente del plano de tierra
Los planos de tierra interrumpidos obligan a las corrientes de retorno a tomar caminos largos y de alta inductancia. A altas frecuencias, esto crea una alta impedancia de tierra que permite que el ruido se acople a los cables externos.
Solución: Utilice un plano de tierra continuo en la capa 2 (directamente debajo de la capa componente). Nunca dirija los rastros de señales en la capa terrestre. Utilice la [calculadora de impedancia del plano de tierra] (/calculators/emc/groundplane-impedance) para conocer la impedancia de tierra alterna.5. Cables que actúan como antenas
Los cables externos (USB, HDMI y de alimentación) se conectan a la placa y se convierten en antenas para el ruido generado por la placa. Un cable de 30 cm resuena cerca de 500 MHz.
Solución: Añada válvulas de bloqueo de modo común en cada conector externo. Filtra las líneas de señal. Asegúrese de que la terminación del blindaje del cable sea de baja impedancia (terminación del blindaje de 360° en el conector, no en forma de espiral).---
Pruebas previas al cumplimiento
No esperes hasta el prototipo final. Realice pruebas previas a la conformidad en cada etapa:
Etapa 1: revisión esquemática- Comprobación: ¿Hay un filtro EMI en la entrada de alimentación?
- Compruebe: ¿Están los relojes de alta velocidad alejados de los conectores de E/S?
- Compruebe: ¿Hay un plano de tierra?
Etapa 2: Revisión del diseño de PCB
- Comprobación: área de bucle del nodo de conmutación SMPS (inductor, MOSFET, diodo de captura)
- Comprobación: ubicación del condensador de desacoplamiento (a menos de 1 mm del pin de alimentación del circuito integrado)
- Compruebe: la continuidad de la ruta de retorno en todas las trazas de alta velocidad
- Las sondas de campo H cercanas al nodo de conmutación muestran puntos calientes de campo magnético
- Las sondas de campo electrónico situadas cerca de los circuitos integrados y los conectores muestran un acoplamiento de campo eléctrico
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El blindaje como último recurso
El blindaje debe ser el último recurso, no la primera línea de defensa. Una carcasa metálica proporciona una eficacia de blindaje de 40 a 80 dB, pero solo si:
1. Todos los espacios entre juntas son inferiores a λ /20 en la frecuencia más alta 2. Los cables se filtran en el punto de entrada 3. El blindaje tiene una conexión a tierra de baja impedancia
Usa la [calculadora de eficacia del blindaje] (/calculators/emc/shielding-effectiveness) para entender cómo afecta el tamaño de la ranura al blindaje. Una ranura de 10 cm limita el blindaje a unos 30 dB a 1 GHz.
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ESD e inmunidad
Las pruebas CE incluyen pruebas de inmunidad. La norma IEC 61000-4-2 (ESD) suele ser la más difícil de aprobar:
- Nivel 4: contacto de ±8 kV, descarga de aire de ±15 kV
- Modelo de cuerpo humano: 100 pF descargados a través de 1,5 kΩ
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Lista de verificación resumida
- [] Filtro EMI en la entrada de alimentación (obturador en modo común con tapones X/Y)
- [] Plano de tierra continuo en la capa 2
- [] Tapas de desacoplamiento situadas a menos de 1 mm de cada pin de alimentación del circuito integrado
- [] Reloj de espectro ensanchado activado
- [] Perla de ferrita en cada interfaz externa
- [] Protección ESD en todos los pines de E/S
- [] Escaneo de campo cercano con sondas colocadas antes del envío final
- [] Margen de 12 dB en las mediciones previas a la conformidad