Predecir las emisiones radiadas antes de fallar la prueba

¿Por qué molestarse en estimar antes de la cámara?

Las pruebas de EMC son caras. Un solo día en una cámara anecoica que cumple con todas las normas cuesta entre 2000 y 4000 dólares, según el lugar en el que se encuentre, y eso sin tener en cuenta el tiempo de ingeniería, los viajes y el inevitable «tenemos que volver la semana que viene» cuando algo falla. La mayoría de los ingenieros tratan las emisiones radiadas como una caja negra hasta que se enfrentan a un diagrama fallido, pero no tiene por qué ser así.

Se conoce bien la física de las emisiones radiadas de los circuitos de corriente de los PCB. Si conoce la corriente del bucle, el área del bucle y la frecuencia, puede estimar el campo eléctrico a una distancia determinada con una precisión razonable. En este caso, «razonable» significa estar entre 6 y 10 dB de la realidad para geometrías simples, lo que no es perfecto, pero sí lo suficiente como para decirte si vas a pasar cómodamente, a fallar de forma espectacular o a caer en una incómoda zona gris en la que los ajustes de diseño pueden salvarte.

El modelo subyacente

Un pequeño bucle de corriente actúa como un dipolo magnético. A distancias mucho mayores que una longitud de onda, el campo eléctrico irradiado desde dicho bucle es:

donde $E$ es el campo eléctrico en µV/m,$I $ es la corriente máxima del bucle en amperios,$A $ es el área del bucle en m²,$f $ es la frecuencia en MHz y$r$ es la distancia de medición en metros. Esta fórmula presupone condiciones de campo lejano y un bucle que es eléctricamente pequeño en comparación con la longitud de onda.

El término $f^2$ es «asesino». Duplique su frecuencia, cuadruplique sus emisiones. Esta es la razón por la que los diseños digitales de alta velocidad con bordes rápidos (mucho contenido armónico) tienden a fallar en frecuencias muy por encima de la frecuencia de reloj fundamental.

El CISPR 22 de clase B (ahora CISPR 32, pero todo el mundo lo sigue llamando de clase B) especifica límites de 10 metros. A 30 MHz, el límite es de 30 dBµV/m; sube a 37 dBµV/m por encima de los 230 MHz y se mantiene allí durante 1 GHz. Estas no son cifras arbitrarias: son las que los organismos reguladores decidieron que eran aceptables para los entornos residenciales. Si los pierdes por 3 dB, es probable que estés bien después de un poco de filtrado. Si los pierdes por 15 dB, estarás rediseñando la placa.

Un ejemplo práctico: distribución de relojes de 100 MHz

Supongamos que tiene un reloj de 100 MHz ubicado en una capa interna de una placa de 4 capas. La señal recorre 25 mm (0,025 m) antes de llegar a un circuito integrado amortiguador y la ruta de retorno se encuentra en un plano de tierra adyacente. Con un grosor dieléctrico de 0,2 mm, el área del bucle es aproximadamente:

Son 5 mm², es bastante pequeño, lo cual es bueno. Ahora supongamos que la señal del reloj oscila entre 3,3 V y una carga de 50 Ω, lo que da una corriente máxima de 66 mA (0,066 A). En el tercer armónico (300 MHz, donde los límites del CISPR se hacen más estrictos), el campo estimado a 10 m es:

Conversión a dBµV/m:$20 \\log_{10}(0.391) = -8.2$ dBµV/m.

El límite de clase B del CISPR 22 a 300 MHz es de 37 dBµV/m. Su margen es de unos cómodos 45 dB. Estás bien, al menos desde este bucle en particular.

Pero aquí es donde se pone interesante. ¿Qué pasa si la ruta de retorno no está directamente debajo de la traza? Supongamos que hay una división en el plano de tierra y la corriente de retorno tiene que desviarse a su alrededor, creando un área de bucle de 200 mm² en lugar de 5 mm². Eso es 40 veces más grande.

Sigue pasando, pero tu margen acaba de caer a 13 dB. Añada unos cuantos bucles más como este, tenga en cuenta la radiación del cable y, de repente, estará sudando.

Abre la calculadora de estimación de emisiones radiadas para calcular tus propios números.

Cuándo funciona este modelo (y cuándo no)

La aproximación de bucle pequeño funciona bien cuando el perímetro del bucle es inferior a aproximadamente λ /10. A 300 MHz, son 10 cm; la mayoría de las estructuras de PCB cumplen con los requisitos. También supone que estás midiendo en un campo lejano, que a 300 MHz comienza alrededor de 1,5 metros. La distancia CISPR de 10 metros se encuentra sólidamente en un territorio lejano.

El modelo se desglosa para estructuras distribuidas, como cables largos, antenas con ranuras (huecos en los planos del suelo) y cualquier otra estructura en la que la distribución de corriente no sea uniforme. También ignora los reflejos del suelo de la cámara y del metal que se encuentra cerca. El verdadero entorno de prueba es más desordenado que el espacio libre.

No espere que esta estimación coincida exactamente con los resultados de su cámara. Espere que esto lo lleve al estadio correcto. Si la calculadora dice que tiene un margen de 3 dB, considérelo como «probablemente fallando». Si dice que tienes un margen de 25 dB, puedes relajarte un poco.

Errores y trampas comunes

Olvidarse de los armónicos

Un reloj de 50 MHz no solo irradia a 50 MHz. Si tiene bordes rápidos, como la mayoría de los relojes CMOS, con tiempos de subida inferiores a 1 ns, tiene un contenido armónico significativo de hasta 300 MHz y más. Los armónicos tercero, quinto y séptimo suelen causar más problemas que los fundamentales debido a ese término del artículo 13. Compruebe siempre los armónicos, no solo la frecuencia del reloj.

Subestimando el área del bucle

Los ingenieros asumen habitualmente que la corriente de retorno fluye directamente por debajo de la traza de la señal. Por lo general, es así si tienes un plano de referencia continuo. Sin embargo, las vías que intercambian las capas de referencia, las divisiones en planos y los conectores con clavijas de tierra inadecuadas obligan a la corriente de retorno a tomar caminos más largos. El área real del bucle puede ser 10 o 100 veces mayor de lo que calcularías ingenuamente.

Uso de corriente RMS en lugar de pico

La fórmula requiere corriente máxima, no RMS. Para una señal sinusoidal, el pico es √2 veces RMS. Para una onda cuadrada, el pico es igual a la amplitud. Si se equivoca, se produce un error de 3 dB, lo que no es catastrófico, pero se suma.

Ignorar la radiación del cable

Es posible que su PCB esté limpia, pero los cables conectados a ella a menudo no lo están. Un cable USB de 1 metro con incluso unos pocos miliamperios de corriente en modo común es una antena mucho más eficiente que cualquier resto de su placa. Esta calculadora se centra en la radiación en bucle, que resulta útil a la hora de tomar decisiones sobre el diseño de una PCB, pero no hay que olvidar que los cables suelen ser los que predominan en la prueba final.

Suponiendo que los resultados de 10 metros se escalen simplemente a 3 metros

Algunos centros de pruebas utilizan distancias de 3 metros para garantizar el cumplimiento previo. El campo se escala como 1/r en el campo lejano, por lo que los resultados de 3 metros son aproximadamente 10 dB más altos que los de 10 metros. Sin embargo, los límites del CISPR se especifican en 10 metros y el factor de correlación no es exactamente de 10 dB debido a los efectos de campo cercano a frecuencias más bajas. Tenga cuidado al comparar.

Implicaciones prácticas del diseño

Una vez que haya realizado algunas estimaciones, surgirán patrones. Reducir el área del circuito es casi siempre la solución más eficaz: es una relación lineal, por lo que reducir el área a la mitad reduce las emisiones a la mitad. Reducir la corriente también ayuda, pero a menudo no se puede cambiar sin afectar al funcionamiento del circuito.

La ralentización de los bordes reduce el contenido armónico, lo que ayuda en las frecuencias altas. Un tiempo de subida de 10 ns en lugar de 1 ns reduce drásticamente la energía por encima de los 100 MHz. Las resistencias en serie en líneas de reloj, las perlas de ferrita o simplemente la elección de familias lógicas más lentas funcionan.

El blindaje y el filtrado son los últimos recursos. Funcionan, pero cuestan dinero y espacio en la junta directiva. Casi siempre es más barato solucionar el problema en su origen.

Filosofía del margen

¿Cuánto margen necesitas? La respuesta honesta es «más de lo que piensas». Los productos reales tienen múltiples fuentes de emisión que suman (a veces de manera coherente) una incertidumbre de medición de ± 3 dB y una variación en la producción. Un diseño que se apruebe con un margen de 2 dB en el laboratorio tendrá unidades que fallarán en la producción.

Por lo general, mi objetivo es un margen mínimo de 6 dB en cualquier fuente individual y, si es posible, de 10 dB. Si la calculadora muestra que estás en el límite, no es «superarlo», sino «probablemente fallar después de añadir la fuente de alimentación, la pantalla y el módulo Bluetooth».

Pruébalo

Crea tu esquema, identifica tus señales de conmutación de frecuencia más alta, estima las áreas de los bucles y abre la calculadora de estimación de emisiones radiadas. Calcula los números del armónico fundamental y al menos del tercer y quinto armónico. Si estás a menos de 10 dB del límite en alguno de ellos, es tu señal para que te fijes más en el diseño antes de gastar dinero en compás de cámara.

Tarda cinco minutos y puede que ahorres una semana de depuración.