Predicción de las emisiones radiadas antes de las pruebas de la FCC: tutorial de un ingeniero de PCB

El análisis previo a la conformidad no es suficiente por sí solo

Su SBC del tamaño de una Raspberry Pi tiene un reloj de procesador de 100 MHz, un bucle de alimentación de 2 cm² entre el regulador de conmutación y su condensador masivo, y un cable USB de 0,5 m para la interfaz host. Su revisor de PCB detectó ambas durante la revisión del diseño. El escaneo previo a la conformidad confirmó la preocupación: los armónicos a 300 MHz, 500 MHz y 700 MHz están a menos de 6 dB del límite de clase B establecido por la FCC, establecido en la parte 15, a 3 metros.

Faltan cuatro semanas para la prueba programada por la FCC. Para hacer girar una tabla nueva se necesitan tres. Necesita saber exactamente qué cambios solucionarán el problema y cuáles son esfuerzos desperdiciados.

El estimador de emisiones radiadas de la EMI modela tanto la radiación de bucle en modo diferencial (DM) como la radiación de cable en modo común (CM), aplica la envolvente espectral de un reloj trapezoidal y calcula el sistema Montecarlo sobre la incertidumbre de medición para obtener una cifra de rendimiento con respecto al límite de la FCC. Ese es el análisis que necesita.

Comprender los dos mecanismos de radiación

Las emisiones radiadas de los PCB digitales provienen de dos mecanismos distintos desde el punto de vista físico, y corregir uno no hace nada por el otro.

La radiación en modo diferencial proviene de las corrientes que circulan en circuitos cerrados por la PCB, normalmente el circuito de alimentación del regulador de conmutación, la ruta de retorno del condensador de desacoplamiento o una señal de alta velocidad combinada con su retorno. El campo de un bucle pequeño se convierte en$1/r^2$en el campo cercano, pero pasa a ser$1/r$en el campo lejano. La FCC mide a 3 m, firmemente en el campo lejano para frecuencias superiores a unos 16 MHz.

El campo eléctrico de un pequeño bucle DM a la distancia$r$es aproximadamente:

donde$f$está en Hz,$I$es la corriente del bucle en amperios y$A$es el área del bucle en m².

La radiación en modo común proviene de corrientes que fluyen en la misma dirección por un cable (sin retorno diferencial). Incluso las corrientes CM de microamperios de un cable de medio metro crean antenas eficientes en frecuencias en las que la longitud del cable se acerca a λ /4. Un cable de 0,5 m resuena cerca de 150 MHz, exactamente en el rango de los armónicos de reloj de 100 MHz.

Análisis de referencia: el diseño del problema

Introduzca lo siguiente en el estimador de emisiones radiadas de la EMI:

La herramienta genera la envolvente espectral del reloj de 100 MHz con un tiempo de subida de 1 ns. Una onda trapezoidal tiene una envolvente espectral que se reduce a 20 dB/década por encima de$1/\pi t_r$, que para un tiempo de subida de 1 ns es de aproximadamente 318 MHz. Por debajo de esa frecuencia angular, los armónicos impares (100, 300, 500, 700 MHz...) caen en una envolvente relativamente plana. Por encima de ella, los armónicos caen rápidamente.

Con las entradas de referencia, la herramienta informa:

• 300 MHz (tercer armónico) : Estimación DM de 42 dBµV/m, estimación de CM de 48 dBµV/m, límite de clase B de la FCC de 40 dBµV/m. CM supera el límite en 8 dB.
• 500 MHz (5º armónico) : El DM estima 35 dBµV/m, el CM estima 44 dBµV/m, el límite de la FCC 47 dBµV/m. El CM está 3 dB por debajo, pero el resultado de Montecarlo del percentil 95 supera el límite.
• 700 MHz (7º armónico) : Ambas fuentes están por debajo del límite de 47 dBµV/m.

La corriente del cable CM es el problema dominante a 300 MHz o más. Esto coincide perfectamente con el patrón de escaneo previo a la conformidad.

Por qué el cable USB domina en altas frecuencias

A 100 MHz, un cable de 0,5 m es λ /6. No es eficiente. A 300 MHz, es λ /2, un dipolo de media onda. La eficiencia de radiación alcanza su punto máximo. A 500 MHz, el cable es de onda completa, la eficiencia disminuye ligeramente, pero una corriente de 5 μA CM sigue siendo suficiente para acercarse al límite.

El bucle DM de 2 cm² no es despreciable, pero la dependencia de$f^2$en la ecuación de campo va en contra: aunque contribuye mucho con armónicos bajos, el área pequeña lo limita. El cable, que actúa como una antena CM, no tiene la misma limitación de área: se irradia como un dipolo, que se escala de manera mucho más favorable.

Es por eso que agregar condensadores de desacoplamiento por sí solo no resolverá este problema. El desacoplamiento reduce las corrientes de bucle DM. La corriente CM del cable USB proviene de un acoplamiento parásito entre el voltaje de ruido en modo común de la placa y el blindaje del cable o la referencia a tierra. Necesitas un conector CM en las líneas USB.

La solución: tres cambios específicos

Actualice las entradas de la herramienta para reflejar los cambios de diseño propuestos:

Vuelve a correr con 100 000 pruebas de Montecarlo. Resultados:

• 300 MHz: DM 33 dBµV/m, CM 28 dBµV/m, percentil 95 de 36 dBµV/m frente al límite de 40 dBµV/m. Margen de 4 dB.
• 500 MHz: DM 22 dBµV/m, CM 24 dBµV/m, percentil 95 de 30 dBµV/m frente al límite de 47 dBµV/m. Margen de 17 dB.
• 700 MHz: Ambas fuentes están muy por debajo del límite.

El rendimiento (fracción de los ensayos de MC por debajo del límite de la FCC en todos los armónicos) oscila entre el 34% y el 98%.

Notas de implementación

Apretar el circuito de alimentación de 2 cm² a 0,5 cm² implica acercar el condensador de entrada masiva del regulador de conmutación lo más posible a los pines V_in y GND, con una trayectoria de retorno corta y ancha. Reducir el área del bucle en 4 veces reduce la intensidad del campo DM en 4 veces (lineal, 12 dB), no en 16 veces; el área aparece linealmente en la ecuación de campo, no al cuadrado. El conector CM debe colocarse en las líneas USB cercanas al conector, en el lado de la PCB, no en el lado del cable. Una impedancia CM de 90 Ω a 100 MHz es suficiente; piezas como el TDK ACM2012 o el Wurth 742792090 son opciones habituales. Un componente, insertado en serie, reduce la corriente CM en 14 dB en este escenario. Reducir el tiempo de subida de 1 ns a 5 ns desplaza la esquina de atenuación espectral de 318 MHz a 64 MHz. El armónico de 300 MHz, que antes se encontraba en la parte plana del espectro, ahora se encuentra en la pendiente de -20 dB/década y está atenuado en aproximadamente 14 dB. Una resistencia de la serie de 22 Ω en la red del reloj no cuesta nada en la BOM o en el área de la placa.

Los tres cambios se pueden implementar con un rediseño de la PCB y un componente adicional. No es necesario volver a girar la sección del procesador por hardware.

[Estimador de emisiones radiadas por EMI] (/tools/emi-radiated)