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EMC

Estimativa de emissão irradiada

Estime as emissões irradiadas dos circuitos de corrente de PCB usando o modelo de circuito pequeno. Compare o campo E com o limite da CISPR 32 Classe B instantaneamente.

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Fórmula

E=π⋅µ0⋅f2⋅A⋅I/(c⋅r)=1.3169×10−2×f2×A×I/r[V/m,finMHz,Ainm2],M=Elim(f,r)−EE = π·µ₀·f²·A·I/(c·r) = 1.3169×10⁻² × f² × A × I / r [V/m, f in MHz, A in m²], M = E_lim(f, r) − E

Referência: Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering (2009), ch. 12; CISPR 32:2015+AMD1:2019 Annex A, Tables A.4 and A.5 (class B)

f— Frequência (MHz)
A— Área do loop (m²)
I— Corrente de circuito (pico) (A)
r— Distância (m)
E_lim— Limite CISPR 32 Classe B em f e r (dBμV/m)
M— Margem até o limite (dB)

Como Funciona

A calculadora de estimativa de emissão irradiada prevê a intensidade do campo E a partir dos circuitos de corrente de PCB — essencial para a análise inicial do projeto EMC antes da construção do protótipo e dos testes de pré-conformidade. Os engenheiros da EMC usam isso para avaliar mudanças no projeto (redução da área do circuito, redução da corrente) e estimar a margem em relação aos limites da CISPR 32 Classe B (40 dBuV/m a 30-230 MHz, distância de 3 m).

De acordo com a “Engenharia EMC” de Henry Ott, uma pequena antena de loop(dimensões << comprimento de onda) irradia no espaço livre o campo E = 1,3169 x 10^-2 x f^2 x A x I/ r (V/m), onde f é a frequência em MHz, A é a área do loop em m^2, I é a corrente de pico em A e r é a distância em m. Medido sobre um plano de terra, como num local de ensaio a 3 m ou 10 m, o campo pode ser até 6 dB maior: o 263 x 10^-16 de Ott (f em Hz) é esse caso, o dobro dos 131,7 x 10^-16 do espaço livre. Convertendo em unidades EMC comuns: E (dBuV/m) = 20 x log10(E x 1e6). A fórmula mostra que a emissão aumenta à medida que a frequência é quadrada — a duplicação da frequência quadruplica a emissão.

De acordo com o “Design digital de alta velocidade” da Johnson/Graham, a fonte de emissão dominante em sistemas digitais é o circuito de corrente de alta frequência formado por trilha de sinal, carga e caminho de retorno ao solo. Um loop de 1 cm^2 transportando 10 mA a 100 MHz produz 43,9 uV/m a 3 m, equivalente a 32,8 dBuV/m — 7,2 dB abaixo do limite CISPR 32 Classe B de 40 dBuV/m. No entanto, vários loops se combinam: 10 loops similares produzem aproximadamente 43 dBuV/m (aumento de 10 dB), acima do limite.

A área do loop é o parâmetro crítico — reduzir pela metade a área do loop reduz a emissão em 6 dB (50%). De acordo com Ott, colocar traços diretamente sobre o plano do solo (H = 0,1 mm versus H = 1 mm) reduz a área do circuito em 10 vezes, reduzindo as emissões em 20 dB. É por isso que os acúmulos de impedância controlada com planos de terra adjacentes oferecem benefícios inerentes à EMC.

Exemplo Resolvido

Problema: Estime a emissão irradiada do SMPS com corrente de ondulação de 50 mA na frequência de comutação de 500 kHz por meio de um loop de entrada de 2 cm ^ 2. Compare com o limite CISPR 32 Classe B no 5º harmônico (2,5 MHz).

Solução segundo Ott:

  1. Parâmetros: f = 2,5 MHz, A = 2 cm^2 = 2e-4 m^2, I = 50 mA = 0,05 A, r = 3 m
  2. Campo E: E = 1,3169e-2 x (2,5) ^2 x 2e-4 x 0,05/3 = 1,3169e-2 x 6,25 x 2e-4 x 0,05/3 = 0,274 uV/m
  3. E em dBuV/m: 20 x log10 (0,274) = -11,2 dBuV/m
  4. Limite CISPR 32 Classe B em 2,5 MHz: N/A (a radiação começa em 30 MHz)
  5. A 30 MHz (60º harmônico, assumindo uma variação de -20 dB/década a partir de 2,5 MHz): E aproximadamente -11,2 - 20 = -31 dBuV/m? Não, use o cálculo direto:
  6. f = 30 MHz, assumindo a transferência de corrente para 5 mA: E = 1,3169e-2 x 900 x 2e-4 x 0,005/3 = 3,95 uV/m = 11,9 dBuV/m
  7. Margem até o limite de 40 dBuV/m: 28,1 dB — confortável se esta for a única fonte de emissão

Nota: O SMPS real tem vários loops; as emissões agregadas geralmente são 10-20 dB maiores do que a estimativa de loop único. Medido sobre um plano de terra, como num local de ensaio, o campo também pode ser até 6 dB maior do que esta estimativa em espaço livre.

Dicas Práticas

  • ✓Reduza primeiro a área do circuito — segundo Ott, reduzir pela metade a área do circuito reduz as emissões em 6 dB; reduzir pela metade a corrente também reduz 6 dB, mas a redução da corrente geralmente requer uma topologia diferente. A rota retorna diretamente sob os traços de sinal para uma área mínima de loop.
  • ✓Use a sonda H de campo próximo para identificar o loop dominante — segundo Ott, mapeie as fontes de emissão com a sonda de loop antes de fazer alterações. Freqüentemente, um loop (relógio, entrada SMPS) domina; a fixação desse loop fornece uma melhoria de 10 a 20 dB, enquanto outras alterações têm impacto mínimo.
  • ✓Calcule na 3ª e 5ª harmônicas do relógio — de acordo com a CISPR 32, os harmônicos do relógio digital geralmente definem a pior frequência de emissão possível. O relógio de 100 MHz tem harmônicos de 300/500 MHz na faixa irradiada de 30-1000 MHz, onde os limites se aplicam.

Erros Comuns

  • ✗Usando a fórmula para predição absoluta de aprovação/reprovação — de acordo com Ott, a fórmula de loop pequeno é uma estimativa de campo distante assumindo um único loop isolado. Os produtos reais têm vários loops, reflexos no plano do solo e efeitos de antena de cabo. Use para análise comparativa ('qual correção ajuda mais? ') previsão de conformidade não absoluta.
  • ✗Esquecendo a escala de emissões como f^2 — de acordo com Johnson/Graham, uma emissão de 100 MHz é 4x (12 dB) mais forte do que 50 MHz para a mesma corrente de loop. Os harmônicos de alta frequência dominam as emissões, mesmo que a corrente fundamental seja maior. Sempre analise a harmônica mais significativa.
  • ✗Ignorando que vários loops adicionam — de acordo com Ott, N loops similares produzem sqrt (N) vezes o campo de um loop quando incoerentes ou N vezes quando coerentes (alinhados à fase). Reserve uma margem de 10 a 15 dB para emissões agregadas de várias fontes a bordo.

Perguntas Frequentes

De acordo com a CISPR 32 Classe B: 40 dBuV/m a 3 m de 30-230 MHz; 47 dBuV/m de 230 a 1000 MHz. FCC Parte 15 Classe B: 40 dBuV/m a 3m de 30-88 MHz; 43,5 dBuV/m de 88-216 MHz; 46 dBuV/m de 216-960 MHz; 54 dBuV/m de 960 MHz-40 GHz. Os limites são semelhantes abaixo de 1 GHz; acima de 1 GHz, a FCC é um pouco mais permissiva. A maioria dos projetos aprovados pela CISPR 32 também passa pela FCC.
Aproximadamente sim, segundo Ott — um traçado de microfita sobre o plano do solo forma um loop parcial com área efetiva = comprimento do traço x altura acima do solo. Um traço de 50 mm a 0,2 mm de altura tem área de loop = 50 x 0,2 = 10 mm ^ 2. A fórmula fornece uma estimativa de ordem de magnitude; use medições de sonda de campo próximo para obter precisão acima de 100 MHz.
Somente como indicador aproximado segundo Ott — use para análise comparativa de projeto (“reduzir o ciclo de 2 cm ^ 2 para 0,5 cm ^ 2 deve melhorar em 12 dB”) em vez de previsão absoluta de aprovação/falha. As emissões reais se agregam de muitas fontes, reflexos e efeitos de antena não capturados em uma fórmula simples. Orçamento de margem de 15 a 20 dB nas estimativas de confiança na produção.
De acordo com a teoria da antena (Pozar), a eficiência da radiação de circuito pequeno aumenta conforme (circunferência/comprimento de onda) ^2. Como o comprimento de onda = c/f, a eficiência é escalada como f^2. Isso tem grandes implicações de EMC: o 5º harmônico de um relógio irradia 25x (28 dB) mais forte do que o fundamental para a mesma corrente. Os harmônicos de alta frequência dominam as emissões irradiadas mesmo com níveis de corrente mais baixos.
De acordo com Johnson/Graham: traço de impedância controlada (0,2 mm acima do solo, 50 mm de comprimento) = 10 mm ^ 2; traço de potência (1 mm acima do solo, 100 mm de comprimento) = 100 mm ^ 2; loop de entrada SMPS = 200-2000 mm ^ 2, dependendo do layout. Os loops de 10 mm ^ 2 geralmente são seguros; os loops de mais de 100 mm ^ 2 requerem análise e possível mitigação (plano terrestre, ferrite, escudo) soldagem).

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