Prevendo emissões irradiadas antes de você falhar no teste

Por que se preocupar em estimar antes da Câmara?

Os testes de EMC são caros. Um único dia em uma câmara anecóica totalmente compatível custa de 2.000 a 4.000 dólares, dependendo de onde você estiver, e isso antes de considerar o tempo de engenharia, a viagem e o inevitável “precisamos voltar na próxima semana” quando algo falhar. A maioria dos engenheiros trata as emissões irradiadas como uma caixa preta até encarar uma trama fracassada, mas não precisa ser assim.

A física das emissões irradiadas dos circuitos de corrente de PCB é bem compreendida. Se você conhece a corrente do circuito, a área do circuito e a frequência, pode estimar o campo elétrico a uma determinada distância com precisão razoável. “Razoável” aqui significa entre 6 e 10 dB de realidade para geometrias simples — não é perfeito, mas o suficiente para dizer se você vai passar confortavelmente, falhar espetacularmente ou cair na desconfortável zona cinza onde ajustes no layout podem salvá-lo.

O modelo subjacente

Um pequeno circuito de corrente atua como um dipolo magnético. Em distâncias muito maiores que o comprimento de onda, o campo elétrico irradiado desse circuito é:

onde $E$ é o campo elétrico em µV/m,$I $ é a corrente de pico do loop em amperes,$A $ é a área do loop em m²,$f $ é a frequência em MHz e$r$ é a distância de medição em metros. Essa fórmula pressupõe condições de campo distante e um loop que é eletricamente pequeno em comparação com o comprimento de onda.

O termo $f^2$ é o assassino. Duplique sua frequência, quadruplique suas emissões. É por isso que designs digitais de alta velocidade com bordas rápidas — muito conteúdo harmônico — tendem a falhar em frequências muito acima da taxa de clock fundamental.

A CISPR 22 Classe B (agora CISPR 32, mas todos ainda a chamam de Classe B) especifica limites em 10 metros. A 30 MHz, o limite é 30 dBµV/m; ele sobe para 37 dBµV/m acima de 230 MHz e permanece lá até 1 GHz. Esses não são números arbitrários — eles são o que os órgãos reguladores decidiram ser aceitáveis para ambientes residenciais. Perda-os em 3 dB e você provavelmente ficará bem depois de filtrar. Perda-os em 15 dB e você está redesenhando a placa.

Um exemplo prático: distribuição de relógio de 100 MHz

Digamos que você tenha um relógio de 100 MHz roteado em uma camada interna de uma placa de 4 camadas. O sinal percorre 25 mm (0,025 m) antes de atingir um buffer IC, e o caminho de retorno está em um plano de terra adjacente. Com uma espessura dielétrica de 0,2 mm, a área do circuito é aproximadamente:

São 5 mm² — bem pequeno, o que é bom. Agora, suponha que o sinal do relógio oscile 3,3 V em uma carga de 50 Ω, fornecendo uma corrente de pico de 66 mA (0,066 A). No terceiro harmônico (300 MHz, onde os limites do CISPR ficam mais apertados), o campo estimado em 10 m é:

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

O limite CISPR 22 Classe B a 300 MHz é de 37 dBµV/m. Sua margem é de confortáveis 45 dB. Você está bem — pelo menos nesse circuito em particular.

Mas é aqui que fica interessante. E se o caminho de retorno não estiver diretamente abaixo do rastreamento? Suponha que haja uma divisão no plano do solo e a corrente de retorno tenha que se desviar em torno dela, criando uma área de circuito de 200 mm² em vez de 5 mm². Isso é 40 vezes maior.

Ainda está passando, mas sua margem acabou de cair para 13 dB. Adicione mais alguns loops como esse, contabilize a radiação do cabo e, de repente, você estará suando.

Abra a calculadora de estimativa de emissão irradiada para executar seus próprios números.

Quando esse modelo funciona (e quando não funciona)

A aproximação de loop pequeno funciona bem quando o perímetro do loop é menor que cerca de λ/10. A 300 MHz, são 10 cm - a maioria das estruturas de PCB se qualifica. Também pressupõe que você esteja medindo no campo distante, que a 300 MHz começa em torno de 1,5 metro. A distância CISPR de 10 metros está sólida em território de campo distante.

O modelo é adequado para estruturas distribuídas, como cabos longos, antenas com ranhura (lacunas nos planos do solo) e qualquer coisa em que a distribuição atual não seja uniforme. Ele também ignora os reflexos do piso da câmara e do metal próximo — o ambiente de teste real é mais confuso do que o espaço livre.

Não espere que essa estimativa corresponda exatamente aos resultados da sua câmara. Espere que você chegue ao estádio certo. Se a calculadora disser que você tem 3 dB de margem, trate isso como “provavelmente falhando”. Se disser que você tem 25 dB de margem, você pode relaxar um pouco.

Erros e pegadinhas comuns

Esquecendo os harmônicos

Um relógio de 50 MHz não irradia apenas a 50 MHz. Se tiver bordas rápidas — como a maioria dos relógios CMOS, com tempos de subida abaixo de 1 ns — ele tem um conteúdo harmônico significativo de até 300 MHz e além. O terceiro, o quinto e o sétimo harmônicos geralmente causam mais problemas do que os fundamentais por causa desse termo $f^2$. Sempre verifique os harmônicos, não apenas a frequência do relógio.

Subestimando a área do loop

Os engenheiros assumem rotineiramente que a corrente de retorno flui diretamente sob o traço do sinal. Isso geralmente acontece, se você tiver um plano de referência contínuo. Mas vias que trocam camadas de referência, divisões em planos e conectores com pinos de aterramento inadequados forçam a corrente de retorno a seguir caminhos mais longos. A área real do loop pode ser 10 × ou 100 × o que você calcularia ingenuamente.

Usando corrente RMS em vez de pico

A fórmula quer corrente de pico, não RMS. Para um sinal senoidal, o pico é √2 vezes RMS. Para uma onda quadrada, o pico é igual à amplitude. Errar gera um erro de 3 dB — não é catastrófico, mas se soma.

Ignorando a radiação do cabo

Seu PCB pode estar limpo, mas os cabos conectados a ele geralmente não estão. Um cabo USB de 1 metro com até mesmo alguns miliamperes de corrente no modo comum é uma antena muito mais eficiente do que qualquer vestígio em sua placa. Esta calculadora se concentra na radiação de loop, que é útil para decisões de design de PCB, mas não se esqueça de que os cabos frequentemente dominam no teste final.

Supondo que os resultados de 10 metros sejam escalados simplesmente para 3 metros

Algumas casas de teste usam distâncias de 3 metros para pré-conformidade. O campo é dimensionado como 1/r no campo distante, então os resultados de 3 metros são cerca de 10 dB maiores do que os de 10 metros. Mas os limites do CISPR são especificados em 10 metros, e o fator de correlação não é exatamente 10 dB devido aos efeitos de campo próximo em frequências mais baixas. Tenha cuidado ao comparar.

Implicações práticas do design

Depois de fazer algumas estimativas, surgem padrões. Reduzir a área do circuito é quase sempre a solução mais eficaz — é uma relação linear, portanto, cortar a área pela metade reduz as emissões pela metade. Reduzir a corrente também ajuda, mas muitas vezes você não pode mudar isso sem afetar a função do circuito.

Diminuir a velocidade das bordas reduz o conteúdo harmônico, o que ajuda em altas frequências. Um tempo de subida de 10 ns em vez de 1 ns reduz drasticamente a energia acima de 100 MHz. Resistores em série em linhas de relógio, esferas de ferrite ou simplesmente escolher famílias lógicas mais lentas funcionam.

A proteção e a filtragem são os últimos recursos. Eles funcionam, mas custam dinheiro e espaço na diretoria. Quase sempre é mais barato resolver o problema na origem.

Filosofia da margem

De quanta margem você precisa? A resposta honesta é “mais do que você pensa”. Os produtos reais têm várias fontes de emissão que adicionam (às vezes de forma coerente) incerteza de medição de ± 3 dB e variação de produção. Um projeto que passa com 2 dB de margem no laboratório terá unidades que falharão na produção.

Eu geralmente busco uma margem mínima de 6 dB em qualquer fonte individual e 10 dB, se possível. Se a calculadora mostrar que você está no limite, isso não está “ultrapassando” — isso “provavelmente está falhando depois de adicionar a fonte de alimentação, a tela e o módulo Bluetooth”.

Experimente

Pegue seu esquema, identifique seus sinais de comutação de frequência mais alta, estime as áreas do loop e abra a calculadora de estimativa de emissão irradiada. Calcule os números para o fundamental e pelo menos o terceiro e o quinto harmônicos. Se você estiver dentro de 10 dB do limite de qualquer um deles, esse é o seu sinal para examinar com mais atenção o layout antes de gastar dinheiro com o tempo de câmara.

Demora cinco minutos e pode economizar uma semana de depuração.