Diseño de EMC: supere las pruebas de CE/FCC en el primer intento

Por qué la mayoría de los productos fallan a EMC en el primer intento

Esto quizá te sorprenda: entre el 50 y el 70 por ciento de los productos no superan las pruebas de EMC al primer intento. No es una cifra pequeña, y el golpe económico es real. El tiempo de laboratorio cuesta entre USD 1000 y USD 5000 al día, y cuando fallas te esperan rediseños de PCB, nuevos prototipos y una nueva reserva de la prueba, lo que puede retrasar tu calendario varios meses. ¿Lo frustrante? La mayoría de estos fallos se pueden evitar por completo si sabes qué buscar durante el diseño.

Esta guía explica las formas más comunes en las que los productos fallan a EMC y, lo que es más importante, cómo detectar estos problemas antes de acudir a un laboratorio de cumplimiento.

---

Comprender los estándares

Marcado CE (Europa)

Si vendes en Europa, necesitas el marcado CE, lo que significa que tu producto debe cumplir con la Directiva de compatibilidad electromagnética (2014/30/UE) . En el caso de la mayoría de los productos electrónicos, realizarás pruebas comparándolas con:

• CISPR 32: sustituyó a la EN 55022 y cubre los equipos multimedia
• CISPR 25: específico para componentes de vehículos
• EN 61000-4-x: la serie de pruebas de inmunidad

Parte 15 de la FCC (Estados Unidos)

En EE. UU., se trata de la Parte 15B si el producto es un radiador no intencionado, básicamente cualquier cosa con una frecuencia de reloj superior a 9 kHz. La clase A se aplica a entornos comerciales e industriales, mientras que la clase B es para uso residencial. Los límites de la clase B son más estrictos, por lo que si superas la clase B, normalmente estás bien para la clase A.

Límites clave

Esto es a lo que te enfrentas:

Antes de comprometerte con un diseño, usa la calculadora de estimación de emisiones radiadas para obtener una cifra aproximada de lo que podrían estar irradiando tus bucles actuales. No es perfecto, pero te dirá si estás en el vecindario correcto o lejos de él.

---

La física de la EMI: por qué irradian los PCB

Cada bucle de corriente de su placa es esencialmente una antena diminuta. El campo eléctrico irradiado desde un bucle pequeño se puede aproximar de la siguiente manera:

donde $f$ es la frecuencia, $A$ es el área del bucle en metros cuadrados, $I$ es la corriente en amperios y $r$ es la distancia al receptor en metros.

Esta ecuación es increíblemente útil porque te dice exactamente lo que importa. Tienes que girar tres botones principales:

1. Reduce el área del bucle: por eso mantienes las rutas de retorno justo debajo de las rutas de señal. Un bucle de 1 cm² irradia 100 veces menos que un bucle de 10 cm² a la misma frecuencia.
2. Reduzca el contenido de frecuencia: las velocidades de borde más lentas significan menos energía de alta frecuencia. Agregue amortiguadores RC a los nodos de conmutación rápida si puede permitirse el margen de tiempo.
3. Reduzca la corriente: utilice la terminación en serie en lugar de en paralelo para reducir la potencia de las salidas.

La mayoría de los ingenieros se centran primero en el blindaje, pero si atacas estos tres parámetros durante el diseño, a menudo no necesitas ningún tipo de blindaje.

---

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 son algunos de los peores infractores tanto en lo que respecta a las emisiones conducidas como a las radiadas. Un regulador de conmutación de 200 kHz no solo emite a 200 kHz: se obtienen armónicos a 400 kHz, 600 kHz, 800 kHz, 1 MHz, etc. Estos armónicos atraviesan perfectamente las bandas de prueba CISPR y FCC, y si no los has filtrado, vas a fallar.

La solución: Agregue un estrangulador de modo común y condensadores X/Y en el punto de entrada de alimentación. El obturador de modo común absorbe el ruido común a ambos rieles de alimentación, mientras que el condensador X (línea a línea) y los condensadores Y (línea a tierra) eliminan el ruido del modo diferencial. Usa la calculadora de estrangulamiento en modo común para dimensionarla correctamente; normalmente, tu objetivo es lograr una atenuación de 40 dB en la frecuencia problemática. No te limites a adivinar el valor de la inductancia.

###2. Armónicos osciladores Crystal/Clock

Un cristal de 48 MHz genera armónicos a 96 MHz, 144 MHz, 192 MHz y más. Todos estos se encuentran perfectamente en las bandas de prueba de emisiones radiadas. Los relojes digitales de alta velocidad son probablemente la fuente más común de fallos radiados, especialmente si se encuentran cerca del borde de la placa o cerca de los conectores de E/S.

La solución:

• Si su microcontrolador admite la sincronización de espectro ensanchado (SSC), enciéndalo. Esto dispersa la energía del reloj en un rango de frecuencias pequeño en lugar de concentrarla en una sola frecuencia. Por lo general, verás una reducción de 10 a 15 dB en los picos de emisión, lo que puede marcar la diferencia entre un error y un error.
• Añada perlas de ferrita en serie con líneas de reloj. Una perla de ferrita de 600 Ω @ 100 MHz puede reducir significativamente los armónicos de alta frecuencia.
• Proteja el oscilador si es posible o, como mínimo, trace el reloj sobre una capa interior con tierra sólida por encima y por debajo de ella. Esto crea una estructura lineal que contiene el campo.

3. Emisiones conducidas en modo diferencial desde SMPS

La ondulación de conmutación en la entrada y la salida del convertidor genera emisiones conducidas en modo diferencial, es decir, ruido que se propaga a lo largo de las líneas eléctricas y puede transmitirse a través de los cables o no superar directamente las pruebas de emisiones realizadas.

La solución: Necesitas un filtro LC. El inductor bloquea la corriente de alta frecuencia y el condensador la desvía a tierra. Usa la calculadora de filtros de emisiones conducidas para diseñar una que tenga una frecuencia de corte muy por debajo de la frecuencia de conmutación. Coloque la capacitancia volumétrica lo más cerca posible del convertidor y asegúrese de que la conexión a tierra sea corta y ancha. Una traza de tierra larga y delgada agrega inductancia que anula todo el propósito del condensador.

4. Diseño deficiente del plano de tierra

Este hace tropezar a mucha gente. Un plano terrestre interrumpido fuerza a las corrientes de retorno a tomar caminos largos y de alta inductancia. A altas frecuencias, esto aumenta drásticamente la impedancia de tierra, lo que permite que el ruido se acople a los cables externos y se irradie. He visto cómo las placas fallan 20 dB solo porque alguien decidió dejar algunos rastros en la capa de tierra y romper el avión.

La solución: Usa un plano de tierra continuo en la capa 2, justo debajo de la capa componente. Nunca enrutes las trazas de señal en la capa terrestre; si necesitas más espacio de enrutamiento, agrega otra capa de señal. La calculadora de impedancia del plano de tierra puede ayudarle a entender cómo es la impedancia de tierra de corriente alterna en diferentes frecuencias. A 100 MHz, incluso una pequeña brecha puede añadir varios ohmios de impedancia, lo que es enorme si se trata de mantener contenido el ruido.

###5. Cables que actúan como antenas

Los cables externos (USB, HDMI, cables de alimentación, lo que sea) están conectados físicamente a la placa y emitirán cualquier ruido que les pongas. Un cable de 30 cm tiene una resonancia de alrededor de 500 MHz, justo en el centro de la banda de prueba de la FCC. Si hay ruido en modo común en ese cable, se encenderá el analizador de espectro.

La solución: Coloque estranguladores de modo común en cada conector externo. Estos obturadores bloquean el ruido del modo común (el ruido que es el mismo en ambos conductores) y transmiten perfectamente la señal diferencial. Filtra las líneas de señal si puedes; un pequeño filtro RC en una línea de datos USB puede ayudarte. Y esto es fundamental: asegúrese de que la terminación del blindaje del cable sea de baja impedancia. Utilice una terminación blindada de 360° en el conector, no una espiral. Una conexión a tierra en espiral añade inductancia y, a altas frecuencias, esa inductancia también podría ser un circuito abierto.

---

Pruebas previas a la conformidad

No espere hasta tener un prototipo «final» para pensar en EMC. Realice comprobaciones previas al cumplimiento de normas en cada etapa y detectará los problemas cuando aún sea barato solucionarlos.

Etapa 1: Revisión esquemática

Incluso antes de empezar a diseñar, recorre el esquema y pregúntate:

• ¿Hay un filtro EMI en la entrada de alimentación?
• ¿Los relojes de alta velocidad se alejan de los conectores de E/S?
• ¿Hay un plano de tierra en la pila?

Estas son preguntas básicas, pero he visto muchos esquemas que no tienen ningún filtro EMI o que tienen un oscilador de 100 MHz justo al lado del conector USB.

Etapa 2: Revisión del diseño de PCB

Una vez que tengas un diseño, comprueba las áreas críticas del bucle:

• ¿Cuál es el área de bucle de su nodo de conmutación SMPS? Este es el bucle formado por el inductor, el MOSFET de conmutación y el diodo de captura. Manténgalo pequeño: menos de 1 cm² si es posible.
• ¿Están sus condensadores de desacoplamiento a menos de 1 mm de los pines de alimentación del circuito integrado? Más lejos que eso, estás añadiendo demasiada inductancia.
• ¿La ruta de retorno es continua en todas las rutas de alta velocidad? Utilice el plano de tierra como ruta de retorno y asegúrese de que no haya ranuras ni cortes que obliguen a la corriente a desviarse.

Etapa 3: primer prototipo

Cuando consigas tu primer prototipo, compra un set de sondas de campo cercano barato; puedes conseguir uno por unos USD 50. Escanea tu placa mientras está funcionando:

• Utilice la sonda de campo H (campo magnético) cerca del nodo de conmutación de la fuente de alimentación. Verás exactamente dónde es más fuerte el campo magnético, lo que te indicará dónde está tu problema de área de bucle.
• Usa la sonda de campo eléctrico (campo eléctrico) cerca de los circuitos integrados y los conectores para ver dónde se produce el acoplamiento del campo eléctrico.

Este tipo de escaneo no le proporcionará datos cuantitativos, pero le mostrará los puntos críticos. Una vez que sepa dónde están los problemas, puede agregar filtros, cambiar el enrutamiento o agregar blindajes solo en esas áreas.

Utilice la calculadora EMI Margin Budget para calcular cuánto margen necesita. Una buena regla general es 12 dB: 6 dB para la incertidumbre de medición y 6 dB para la variación de la producción. Si se encuentra a menos de 3 dB del límite de precumplimiento, es probable que no lo consiga cuando llegue al laboratorio real.

---

El blindaje como último recurso

Muchos ingenieros optan por el blindaje primero, pero en realidad debería ser su última opción. Una carcasa metálica puede ofrecer una eficacia de blindaje de 40 a 80 dB, lo que suena muy bien, pero solo si lo haces bien:

1. Todos los espacios entre juntas tienen que ser más pequeños que λ/20 con la mayor frecuencia de preocupación. A 1 GHz, eso es alrededor de 1,5 cm. Si hay huecos más grandes que eso, se produce una fuga importante.
2. Los cables deben filtrarse en el punto en el que entran en el blindaje. Si tienes un cable sin filtrar que atraviesa tu blindaje, básicamente has creado una alimentación de antena.
3. El blindaje necesita una conexión a tierra de baja impedancia. Un solo tornillo en la esquina no es suficiente: se necesitan varios puntos de tierra alrededor del perímetro.

Usa la Calculadora de eficacia de blindaje para ver cómo afecta el tamaño de la ranura a tu blindaje. Una ranura de 10 cm te limita a unos 30 dB de blindaje a 1 GHz, independientemente del grosor del metal. El blindaje es caro, añade peso y complica la fabricación. Primero, arregle la fuente de las emisiones y es posible que no la necesite.

---

ESD e inmunidad

Las pruebas de CE no solo tienen que ver con las emisiones, sino que también hay que pasar las pruebas de inmunidad. La norma IEC 61000-4-2 (ESD) suele ser la más difícil. Estás viendo:

• Nivel 4: descarga de contacto de ±8 kV, descarga de aire de ±15 kV
• La prueba descarga 150 pF a través de 330 Ω, con un primer pico de 30 A a 8 kV por contacto (el modelo del cuerpo humano, 100 pF y 1.5 kΩ, es una prueba a nivel de componente)

Es mucha energía vertida en tu circuito en unos pocos nanosegundos. Si no tienes la protección ESD adecuada, verás que se bloquea, se reinicia o se produce un daño permanente.

La solución: Agregue diodos TVS o diodos de fijación ESD en todos los puertos externos: USB, Ethernet, botones o cualquier cosa que el usuario pueda tocar. Seleccione un diodo ESD con una tensión de bloqueo no superior al doble de la línea de alimentación. Si utilizas un sistema de 3,3 V, busca una tensión mínima de alrededor de 6 V. También asegúrate de que el diodo tenga una capacitancia baja si estás protegiendo una interfaz de alta velocidad: un diodo de 1000 pF en una línea USB 2.0 acabará con la integridad de la señal.

---

Lista de verificación resumida

Esto es lo que debes tener preparado antes de reservar tu prueba de cumplimiento:

• [] Filtro EMI en la entrada de alimentación (estrangulador de modo común + condensadores X/Y)
• [] Plano de tierra continuo en la capa 2, sin interrupciones
• [] Desacople los condensadores a menos de 1 mm de cada pin de alimentación del circuito integrado
• [] La temporización de espectro ensanchado está habilitada (si tu circuito integrado lo admite)
• [] Un cordón de ferrita en cada línea de señal de interfaz externa
• [] Diodos de protección ESD en todos los pines de E/S
• [] Se realizó un escaneo de campo cercano con un conjunto de sondas antes de su presentación final
• [] Al menos 12 dB de margen en las mediciones previas a la conformidad

Si has marcado todas estas casillas, tus probabilidades de fallar en el primer intento aumentan considerablemente. La mayoría de los ingenieros se saltan el paso previo al cumplimiento y solo esperan lo mejor, y es por eso que terminan en el grupo de fracasos del 50 al 70%. No seas ese ingeniero.