Diseño de circuitos impresos con técnicas CEM

Universidad Nacional Experimental Del Táchira
Departamento de Ingeniería Electrónica
Núcleo de Electrónica y Sistemas Digitales
Universidad Nacional Experimental Del Táchira
Departamento de Ingeniería Electrónica
Núcleo de Electrónica y Sistemas Digitales
Compatibilidad Electromagnética en
Presentado por: Hugo Parra
Tecnología Electrónica
Presentado por: Hugo Parra
Tecnología Electrónica
los circuitos impresos
los circuitos impresos

Tabla de contenido
Tabla de contenido
• Introducción.
• Compatibilidad electromagnética (EMC).
• EMC en los circuitos Impresos.
• Metodología para el diseño de circuitos impresos usando técnicas de
compatibilidad Electromagnética (EMC).

Introducción
Introducción
• En el diseño de circuitos electrónicos se
encuentran involucrados con muchos
fenómenos físicos relacionados con los
fenómenos físicos relacionados con los
campos electromagnéticos que producen
interferencias a estos circuitos, y la manera
de que trabajen a pesar de estas
interferencias se denomina compatibilidad
electromagnética.

Compatibilidad electromagnética (EMC)
• Definición.
La compatibilidad electromagnética (EMC) es la
capacidad de los sistemas electrónicos y eléctricos,
equipos, y dispositivos para operar en un ambiente
equipos, y dispositivos para operar en un ambiente
electromagnético dentro de un margen definido de
seguridad, y en niveles de diseño del
funcionamiento, sin sufrir o causar degradación
inaceptable como resultado de una interferencia
electromagnética. (ANSI C64.14-1992).

Tres elementos de EMC
FUENTEDE
EMI
Proceso de acoplamiento
Campo y espacio
Conducción
• Figura.2.2 Tomada de EMI/EMC of Entire Automotive Vehicles and Critical PCB’s. Akira
Ohta, Toru Watanabe, Benson Wei Makoto Suzuki Ansoft Japan K.K. , Ansoft Corp. Taiwan
Branch
Frecuencias bajas y medias LC resonancias
CONDUCTIVO CAPACITIVO INDUCTIVO RADIADO
EMS Inmunidad
Baja, media y alta
frecuencia
Alta frecuencia
EMI, EMS y proceso de acoplamiento - T res problemas de ruido.

• Las Emisiones radiadas es la componente de RF (aproximadamente 10 KHz a
100GHz) energía transmitida a través de un medio, usualmente espacio libre (aire),
como un campo electromagnético.
• Las Emisiones Conducidas: La componente de radio frecuencia (RF) energía
transmitida como una propagación de onda generalmente a través de un alambre o
cable de interconexión. LCI (interferencia de línea conducida) se refiere a la energía
cable de interconexión. LCI (interferencia de línea conducida) se refiere a la energía
RF en el cable de alimentación.
• La Susceptibilidad: La medida de la capacidad de un dispositivo a ser interrumpido
o dañado por la exposición de la interferencia electromagnética EMI.
• La Inmunidad: es la medida de la capacidad de un dispositivo para resistir la
exposición de interferencia electromagnética y todavía operar a un nivel diseñado.

SUPRESION DE RUIDO
FUENTEDE
EMI
Proceso de acoplamiento
Campo y espacio
Conducción
Filtros EMI Apantallamiento
• Se muestra en la figura 2.3, un esquema generalizado donde se utilizan las
principales actividades para reducir y/o eliminar el ruido provocado por
interferencias.
Frecuencias bajas y medias LC resonancias
CONDUCTIVO CAPACITIVO INDUCTIVO RADIADO
Inmunidad
(EMS)
Inmunidad
Baja, media y alta
frecuencia
Alta frecuencia
EMI, EMS y proceso de acoplamiento - T res problemas de ruido.
Filtros EMI Apantallamiento Apantallamiento Apantallamiento

EMC en los circuitos Impresos
• Los circuitos impresos son los que unen y mantienen
interconectados los componentes electrónicos en su forma
física. El diseño de estos se ha convertido en un verdadero
reto ya que los mismo tienen que trabajar en una ambiente
reto ya que los mismo tienen que trabajar en una ambiente
lleno de interferencias, y a medida que aumenta la
frecuencia de trabajo es mayor el reto.
• El diseño de los circuitos impresos con compatibilidad
electromagnética debe estar contenido y soportar tres áreas
diferentes las cuales son las EMI (Interferencias
Electromagnéticas), Las PI (Integridad de la Alimentación)
y la SI ( la integridad de la señal).

• Esquema del diseño de los circuitos
Impresos con EMC PI
SI
EMI
EMC

Integridad de la Alimentación (PI)
Integridad de la Alimentación (PI)
• Integridad de la Alimentación (PI Power Integrity). Es el análisis y diseño que se
encarga que haya una alimentación sin perturbación por ruido (acoplamientos
conducidos o radiados) o deficiencias de las misma y que el circuito electrónico
conducidos o radiados) o deficiencias de las misma y que el circuito electrónico
este preparado ante estas situaciones.
Integridad de la Señal (SI)
• La integridad de la señal es el análisis y diseño de que no haya variación de la
información que se transmite, esta puede ser degradada por efectos de la línea de
transmisión tales como :acoplamientos de impedancias, retardos, reflexiones y
otros. También debido por los efectos de las interferencias electromagnéticas que
degradan la señal.

Interferencias electromagnéticas (EMI)
•
• Realizar el análisis y diseño de los PCB en un ambiente lleno de interferencias
electromagnéticas que puedan acoplarse o radiarse, eliminándolas o reduciéndolas
para que el PCB no sea afectado, tal como emisiones de RF. Descargas
Electrostáticas ESD y recepción de señales de RF y otros.

Metodología para el diseño de circuitos impresos usando técnicas de
DISEÑO
LOGICO
VERIFICACION DEL
DISEÑO POR SIMULACION
DEL CIRCUITO
CAPTURA DEL
ESQUEMATICO
REGLAS DE
DESARROLLO
Sección I
DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO
SELECCIÓN DEL TAMAÑO Y
FORMA DEL TABLERO
PARTES DE TRAZADO N EL
TABLERO
RUTEO DEL TABLERO
CHEQUEO DE LAS REGLAS DEL
DISEÑO
REGLAS DE
AJUSTE
INTEGRIDAD DE LA
SEÑAL, EMI Y
ANALYSIS TERMICO.
GENERACION DEL
TRABAJO DEL ARTE
FABRICACION DEL
TABLERO DE CIRCUITO
IMPRESO
PRUEBAS Y DEPURACION DEL
TABLERO DEL DISEÑO
Sección II
Sección III

Metodología para el diseño de circuitos impresos usando
técnicas de compatibilidad Electromagnética (EMC).
El diseño del circuito electrónico de la metodología propuesta
se define en un ejemplo con una tarjeta de adquisición de
datos de 8 bits, la cual está conformada de varias etapas: una
etapa de acondicionamiento, una etapa de conversión de
analógico a digital, una etapa de procesamiento de los datos,
una etapa de interfaz con el computador la cual realiza la
comunicación entre la tarjeta y el computador. Tal como se
Etapa
de
Acondicionamiento
Etapa de
conversión
analógica digital
Etapa
de
Procesamiento
Interfaz
con el
computador
comunicación entre la tarjeta y el computador. Tal como se
muestra en la figura.

• Selección del material de la baquelita.
• Selección de los componentes.
• Selección del área de trabajo en el circuito impreso.
• Colocación de los componentes en el tablero.
• Conexiones de tierra.
• Trazado de las pistas.
• Trazado de las pistas.
• Técnicas de trazado para minimizar la diafonía
• Los ángulos del recorrido de las trazas.
– Efectos de las vías
– Distancia entre las trazas o pistas de los circuitos impresos.
• Ancho de las pistas.
· Efecto piel
ᶵ Calculo de las características de la traza para un ancho específico.
• Planos de tierra y de alimentación y cambios por la temperatura.
• Los lazos.

Metodología para el diseño de circuitos impresos usando técnicas de compatibilidad Electromagnética (EMC).
• Selección del material de la baquelita.

Material εr Constante
Ppm/ºC
Tangente de perdida
(δ)
Costo por pie2
(dólar)
Fibra de vidrio FR-4 4.1-4.8 +250 0.02-0.03 2.5
GTEK 3.5-4-3 +250 0.012 3.5
Woven
glass-/cerámica
loaded
3.38 +40 0.0027 9.50
PTFE/cerámica(tefló 2.94 0 0.0012 100.00
PTFE/cerámica(tefló
n)
2.94 0 0.0012 100.00
• Selección de los componentes..
Familia Lógica Longitud de la señal, mm (in)
Lower power schottky (LS) 760 (30)
Schottky (S) 280 (11)
Advanced LS (ALS) 280 (11)
Advanced Schottky TTL 200 (8)
Advanced Schottky (AS) 150 (6)
Advanced CMOS technology 200 (8)
Emitter-coupled logic (ECL) 150 (6)

Selección del área de trabajo
en el circuito impreso.
Frecuencia alta
Interfase del
circuito
Digital
Interfase del
Circuitos de baja
frecuencia
Circuitos de media
frecuencia
Circuitos alta
frecuencia
Circuito
Digital
Interfase del
circuito
Digital
Interfase del
circuito
Circuito
analógico
Circuito
Digital
Circuito
de
alimenta
ción
Fuentes
Circuito digital de
alta velocidad
Microntroladores
ETAPA
ETAPA
ANALOGIC
A
ETAPA DE
POTENCIA
ETAPA DE
INTERFASE
ENTRADA Y
Conexiones de tierra.
Frecuencia baja
Conectores I/O
Rango de frecuencia
que trabajan los
componentes
Agrupación de componentes
por áreas de trabajo según el
tipo de señales.
circuito
Analógico
Circuitos
interfaces Circuito
analógico
circuito
Analógico
Fuentes
regulada
s
conmuta
das
Colocación de los componentes en el tablero.
ETAPA
DIGITAL ENTRADA Y
SALIDA
ETAPA
DIGITAL
ETAPA
ANALOGICA
ETAPA DE
POTENCIA
ETAPA DE
INTERFASE
ENTRADA Y
SALIDA

• En la sección del trazado de las pistas es importante señalar que el
comportamiento de la traza depende muchas veces de la frecuencia que se
vaya a utilizar o de la velocidad de operación de los dispositivos digitales, a
medida que la frecuencia aumenta esta resistencia varia debido al efecto
piel del conductor, y si aumenta en mayor proporción ya tiene efectos
inductivos y habrá que estudiarla como una línea de transmisión con todos
sus parámetros.
Trazado de las pistas.
sus parámetros.
Técnicas de trazado para minimizar la diafonía
3W
1/2
W 3W
w
I
I
I
I
SEÑAL 1
GND
SEÑAL 2
SEÑAL 1
GND
SEÑAL 2

Los ángulos del recorrido de las
trazas.
Cara 1 Cara 2
N
O
S
I
Voltaje
(DC o AC )
Tableros cubierto
(cualquier
elevación)
Tablero
descubierto Sobre
10000 pies
Distancia entre las trazas o pistas de los
circuitos impresos.
I 0-50 0,13mm -- 5mils 0,64mm – 25mils
51-100 0,13mm -- 5mils 1,50mm – 60mils
101-150 0,40mm – 16mils 3,18mm – 125mils
151-250 0,40 mm – 30mils 3,18mm – 125mils
251-500 0,75 mm – 30mils 12,7mm – 250 mils
〉500 0.00305mm
(0.12mils) por
Voltaje
0.0254mm (1mils)
por voltaje.

• Las vías dependen de las propiedades geométricas, es decir, sin son vías
pequeñas son de capacidad menor y alta inductancia, en el caso de que sean
grandes son capacidad mayor y menor inductancia.
• Las vías son inherentemente capacitivas y cambia las características de la
impedancia de las pistas.
• Cuando una pista mueve de una capa a otra, se convierte en referencia de
diferentes planos de referencia, por lo tanto generalmente distorsiona las
diferentes planos de referencia, por lo tanto generalmente distorsiona las
características de la impedancia de las líneas.
• Los efectos de la primera vía es más grande, pero los efectos disminuyen si
mas vías son agregadas a la pistas.

Ancho de las pistas
Ancho(inch) Corriente (amp)
0.010" 0.3 Amps
0.015" 0.4 Amps
0.020" 0.7 Amps
0.025" 1.0 Amps
0.050" 2.0 Amps
0.100" 4.0 Amps
0.150" 6.0 Amps

Microstrip Stripline
Zo= (87/(sqrt(εr +1.41))*ln(5.98*H/(0.8*W+T))
ohm Ec. 4.1
Co=0.67*(εr +1.41)/ ln(5.98*H/(0.8*W+T)) pf
/inch Ec. 4.2
Tpd=1.016*sqrt(0.475*εr+0.67) ns/ft Ec. 4.3
Lo=Co*Zo2 Ec 4..3
Considerando 0.1〈 W/H 〈3 1〈εr 〈15
Zo= (60/(sqrt(εr))*ln(1.9*(2H+T)/(0.8*W+T)) ohm
Ec. 4.4
Co=1.41*(εr)/ ln(3.81*H/(0.8*W+T)) pf /inch Ec.
4.5
Tpd=1.016*sqrt(εr) ns/ft Ec. 4.6
Lo=Co*Zo2 Ec 4.7
Considerando 0.1〈 W/H 〈2, T/H 〈0.25 1〈εr 〈15.
W
T
H εr
W
T
εr
H
Calculo de las
características de
la traza para un
Considerando 0.1〈 W/H 〈3 1〈εr 〈15 Considerando 0.1〈 W/H 〈2, T/H 〈0.25 1〈εr 〈15.
Planos Paralelos Stripline by side
Zo= sqrt(u/εr)*H/b ohm Ec. 4.18
Co=εr*b/H pf /m Ec. 4.19
R=2/(σc*δ*b); Ec. 4.20
L=u*H/b Ec 4.21
Considerando D/b〈 =0,1
Zo= (377/(sqrt(εr))*ln(D/W+D2-1)) ohm
Ec. 4.22
Co=εo*b/H pf /m Ec. 4.23
Lo=Co*Zo2 Ec 4.24
Considerando T 〈 〈W
b
t
H εr
D
H
εo
T
W
características de
la traza para un
ancho específico.

En resumen:
• Minimizar las reflexiones del voltaje por desigualdades en las impedancias
y las oscilaciones creados cuando las señales de alta velocidad se propagan
a través de las discontinuidades de impedancia.
• Reduciendo las diafonías entre líneas vecinas y maximizando el espacio de
la señal a señal y minimizando las distancias de señales a tierra.
• Reduciendo el retraso de interconexión de chip a chip en proporción al
• Reduciendo el retraso de interconexión de chip a chip en proporción al
incremento de la velocidad interna del circuito integrado por el empleo de
trazas muy corta entre dispositivos.
• Asegurar propias transiciones de voltajes tomando en cuenta la impedancia
de interconexión y el empleo de terminaciones.
• Minimizar las cargas capacitivas en las pistas de las señales para mantener
las impedancias características más altas y el retardo de propagación más
corto.

Planos de tierra y de alimentación
y cambios por la temperatura.
I
C
A
I
C
B
VC
C
GN
D
Los lazos
I
C
C
I
C
D

Interferencias más comunes en
los circuitos electrónicos
Combinación de las
soluciones de la
tabla 4.2
Campo radiado para la
interconexión de los
cables. (Modo Común)
2, 7, 8, 9 y 11.
Campo radiado para la
interconexión de los
cables (Modo diferencial)
2, 5 y 6.
Interconexión de cable por 1, 3, 9 y 11.
No. Soluciones que se indican a las Interferencias
electromagnéticas fijas
1 Inserte filtro en la señal de entrada.
2 Inserte filtro en la señal del receptor.
3 Inserte filtro en la alimentación de potencia.
Interconexión de cable por
campo radiado (modo
Común)
1, 3, 9 y 11.
Interconexión de cable por
campo radiado (Modo
diferencial)
1, 3, 5, 6 y 7.
Diafonía Cable a cable 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 y 11.
Campo radiado a la Caja 12 y 13.
Caja por campo radiado 12 y 13.
Radiación caja a caja 12 y 13.
Conducción de caja a caja 1, 2, 7, 8 y 9.
Conducción de la alimentación
principal al contenedor.
4 y 11.
Conducción del contenedor a la
alimentación principal.
4.
3 Inserte filtro en la alimentación de potencia.
4 Inserte filtro en receptor de potencia.
5 Par de Cable trenzado.
6 Apantallamiento de los conductores.
7 Use circuitos balanceados.
8 Instale manejadores y receptores de línea
diferencial.
9 Aislar las tierras del circuito impreso o del circuito
impreso.
10 Separar el par de alambres.
11 Use toroide de ferritas.
12 Use un circuito impreso multicapa en lugar de un
circuito de una sola capa.

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