Do retorno de sinal aos capacitores de filtro: regras de ouro para o projeto de PCBs anti-interferência! Corrente de modo diferencial e corrente de modo comum.

Do retorno de sinal aos capacitores de filtro: regras de ouro para o projeto de PCBs anti-interferência! Corrente de modo diferencial e corrente de modo comum.

Geração de radiação: A corrente elétrica, e não a tensão, gera radiação. A carga estática gera um campo eletrostático; a corrente constante produz um campo magnético; a corrente variável no tempo produz campos elétricos e magnéticos. Em qualquer circuito, existem correntes de modo comum e correntes de modo diferencial. Os sinais de modo diferencial transportam dados ou sinais úteis; os sinais de modo comum são efeitos negativos da operação em modo diferencial.

Corrente de modo diferencial: mesma magnitude, direção oposta (fase). Devido à capacitância e indutância distribuídas nas trilhas, às descontinuidades de impedância sinal-trilha e aos caminhos de retorno de sinal inesperados, a corrente de modo diferencial pode ser convertida em corrente de modo comum.

Corrente de modo comum: a magnitude pode não ser igual; a direção (fase) é a mesma.

A maior parte da interferência externa proveniente de um dispositivo é principalmente de modo comum. Interferências de modo diferencial também existem, mas as de modo comum costumam ser várias ordens de magnitude mais fortes. A interferência externa também é, em sua maioria, de modo comum. A interferência de modo comum em si geralmente não danifica o equipamento, mas se ela se converter em interferência de modo diferencial, torna-se um problema sério, pois todos os sinais úteis são de modo diferencial.

O campo magnético da corrente de modo diferencial concentra-se principalmente na área do laço formada por essa corrente, e fora dessa área, as linhas de fluxo magnético se cancelam. O campo magnético da corrente de modo comum surge fora da área do laço, e as direções do campo magnético produzido pelas correntes de modo comum são as mesmas. Muitos projetos de EMC em PCBs seguem esses princípios.

Algumas maneiras de suprimir interferências em uma placa de circuito impresso incluem:

• Redução da área do laço de sinal em modo diferencial

• Redução do retorno de ruído de alta frequência (filtragem, isolamento e adaptação de impedância)

• Redução da tensão de modo comum (projeto de aterramento)

Resumo dos princípios de projeto de PCBs

Princípio 1: Quando a frequência do clock da placa de circuito impresso (PCB) excede 5 MHz ou o tempo de subida do sinal é inferior a 5 ns, geralmente é necessário um projeto de placa multicamadas.

Motivo: O design multicamadas proporciona um bom controle da área do circuito de sinal.

Princípio 2: Para placas multicamadas, as principais camadas de roteamento (linhas de clock, barramentos, sinais de interface, linhas de RF, linhas de reset, linhas de seleção de chip e outros sinais de controle) devem estar adjacentes a um plano de aterramento sólido, preferencialmente entre dois planos de aterramento.

Motivo: As linhas de sinal principais são fontes de radiação intensa ou extremamente sensíveis; o roteamento próximo ao plano de aterramento reduz a área do circuito, diminuindo a radiação ou melhorando a imunidade.

Princípio 3: Para placas de camada única, as trilhas de sinal principais devem ter blindagem de aterramento em ambos os lados.

Motivo: O aterramento em ambos os lados reduz a área do loop e evita a interferência entre as linhas de sinal.

Princípio 4: Para placas de dupla camada, assegure o preenchimento de área de aterramento em grande escala no plano de projeção das trilhas de sinal principais, ou utilize blindagem de aterramento e vias semelhantes às placas de camada única.

Motivo: O efeito é o mesmo que o de sinais importantes próximos a um plano de aterramento em placas multicamadas.

Princípio 5: Em placas multicamadas, o plano de alimentação deve ser reduzido para dentro em 5H–20H em relação ao plano de terra adjacente (H é a distância entre os planos de alimentação e terra).

Motivo: Reduzir o tamanho do plano de alimentação diminui os problemas de radiação nas bordas.

Princípio 6: A projeção da camada de roteamento deve permanecer dentro da região do seu plano de retorno.

Motivo: Se uma camada de roteamento se estende para além da projeção do plano de retorno, a radiação de borda aumenta e a área do laço de sinal se amplia, aumentando a radiação em modo diferencial.

Princípio 7: Em placas multicamadas, evite sinais >50 MHz nas camadas SUPERIOR ou INFERIOR.

Motivo: Os sinais de alta frequência devem preferencialmente passar entre duas camadas planas para suprimir a radiação.

Princípio 8: Para placas que operam acima de 50 MHz, se a segunda e a penúltima camadas forem camadas de roteamento, as camadas SUPERIOR e INFERIOR devem ser cobertas com cobre de aterramento.

Motivo: Os sinais de alta frequência devem ser encaminhados entre duas camadas planas para suprimir a radiação espacial.

Princípio 9: O plano de alimentação principal da placa deve ser adjacente ao seu plano de terra.

Motivo: Planos de alimentação e de terra próximos um do outro reduzem a área do circuito de alimentação.

Princípio 10–11: Em placas de camada única ou dupla, as trilhas de alimentação devem ter trilhas de aterramento adjacentes e paralelas.

Motivo: Reduz a área do circuito de corrente de potência.

Princípio 12: Evite camadas de roteamento adjacentes na configuração em pilha. Se inevitável, aumente o espaçamento entre as camadas de roteamento e reduza o espaçamento entre uma camada de roteamento e seu plano de retorno.

Motivo: Trajetórias paralelas em camadas de roteamento adjacentes causam interferência.

Princípio 13: Evite sobreposição das áreas de projeção de planos adjacentes.

Motivo: A sobreposição aumenta o acoplamento capacitivo entre os planos, causando transferência de ruído.

Princípio 14: O layout da placa de circuito impresso deve seguir o posicionamento linear ao longo da direção do fluxo de sinal.

Motivo: Impede o acoplamento direto e melhora a integridade do sinal.

Princípio 15: Quando vários módulos de circuito estão na mesma placa de circuito impresso, os circuitos digitais, analógicos, de alta velocidade e de baixa velocidade devem ser separados.

Motivo: Impede a interferência mútua entre diferentes tipos de circuitos.

Princípio 16: Quando circuitos de alta, média e baixa velocidade coexistirem, os circuitos de alta e média velocidade devem ficar afastados das interfaces.

Motivo: Impede que ruídos de alta frequência se irradiem através das interfaces.

Princípio 17: Para circuitos/dispositivos com grande variação de corrente (E/S de módulos de potência, ventiladores, relés), coloque capacitores de grande capacidade e capacitores de filtro de alta frequência nas proximidades.

Motivo: Os capacitores de grande capacidade reduzem a área do circuito de alta corrente.

Princípio 18: Os circuitos de filtro de entrada de energia devem ser colocados próximos ao conector.

Motivo: Impede que as linhas filtradas sejam reconectadas.

Princípio 19: Os componentes de filtragem, proteção e isolamento para circuitos de interface devem ser colocados próximos à interface.

Motivo: Garante proteção, filtragem e isolamento eficazes.

Princípio 20: Se existirem filtragem e proteção numa interface, a proteção deve vir primeiro.

Motivo: A proteção lida com sobretensão/sobrecorrente; caso contrário, os componentes do filtro podem ser danificados.

Princípio 21: Evitar o acoplamento entre as trilhas de entrada e saída de filtros, circuitos de isolamento e proteção.

Motivo: O acoplamento enfraquece sua eficácia.

Princípio 22: Se um “terra limpo” for usado em uma interface, os componentes de filtragem e isolamento devem ser colocados na faixa de isolamento entre o terra limpo e o terra de trabalho.

Motivo: Evitar o acoplamento entre planos que enfraquece a filtragem/isolamento.

Princípio 23: Somente componentes de filtragem e proteção podem ser colocados em “solo limpo”.

Motivo: O aterramento limpo é sensível a interferências; circuitos não relacionados não devem ser colocados ali.

Princípio 24: Dispositivos com alta emissão de radiação (osciladores de cristal, relés, fontes de alimentação chaveadas) devem estar a pelo menos 1000 milésimos de polegada (mil) das bordas da placa e dos conectores.

Motivo: Impede a radiação direta ou a radiação transmitida por cabo.

Princípio 25: Circuitos sensíveis (circuitos de reset, watchdogs) devem estar a pelo menos 1000 milésimos de polegada (mil) das bordas da placa — especialmente das bordas dos conectores.

Motivo: Os conectores são suscetíveis a interferências externas, como descargas eletrostáticas (ESD).

Princípio 26: Os capacitores de filtro para circuitos integrados devem ser colocados o mais próximo possível dos pinos de alimentação do circuito integrado.

Motivo: Quanto mais próximo o capacitor estiver, menor será a área do circuito de alta frequência, reduzindo a radiação.

Princípio 27: Os resistores de terminação em série da extremidade da fonte devem ser colocados próximos à extremidade de saída do sinal.

Motivo: O casamento em série requer que a impedância do resistor somada à impedância de saída do driver seja igual à impedância característica da trilha.

Princípio 28: As trilhas da placa de circuito impresso não devem ter ângulos retos ou ângulos agudos.

Motivo: Trilhas em ângulo reto causam descontinuidade de impedância, oscilações, sobretensão e forte interferência eletromagnética.

Princípio 29: Se não for possível evitar camadas de roteamento adjacentes, as trilhas devem ser perpendiculares ou paralelas com comprimento <1000 mil.

Motivo: Reduz a interferência entre canais.

Princípio 30: Para camadas de trilhas internas, direcione o clock e outros sinais-chave nas camadas internas.

Motivo: As camadas internas fornecem blindagem.

Princípio 31: As trilhas de clock devem ser blindadas por aterramento em ambos os lados, com vias de aterramento a cada 3000 mil.

Motivo: Garante potencial igual ao longo da trilha de guarda.

Princípio 32: Os sinais principais (clock, barramento, RF) devem seguir a regra 3W para espaçamento na mesma camada.

Motivo: Reduz a interferência entre canais.

Princípio 33: Para componentes em caminhos de potência ≥1A (fusíveis, núcleos, indutores, capacitores de tântalo), os pads devem ter pelo menos duas vias para o plano.

Motivo: Reduz a impedância.

Princípio 34: Os pares diferenciais devem ser roteados na mesma camada, em paralelo, com o mesmo comprimento, com impedância consistente e sem outras trilhas entre eles.

Motivo: Garante impedância de modo comum igual e aumenta a imunidade.

Princípio 35: Os sinais principais não devem cruzar planos divididos (incluindo lacunas de vias ou pads).

Motivo: Cruzar bifurcações aumenta a área do laço.

Princípio 36: Se o cruzamento de planos divididos for inevitável, adicione um capacitor de ponte (1 nF) próximo ao cruzamento.

Motivo: Oferece um caminho de retorno intencional.

Princípio 37: Nenhum rastreamento não relacionado deve ser roteado por baixo dos filtros.

Motivo: A capacitância parasita prejudica o desempenho do filtro.

Princípio 38: Os traços de entrada e saída do filtro não devem ser paralelos nem se cruzar.

Motivo: Impede o acoplamento direto de ruído entre as linhas de pré e pós-filtragem.

Princípio 39: As linhas de sinal principais devem estar a pelo menos 3H de distância da borda do plano de referência.

Motivo: Suprime a radiação periférica.

Princípio 40: Para componentes metálicos aterrados no chassi, cubra a área de projeção na camada superior com cobre aterrado.

Motivo: A capacitância distribuída entre o invólucro e o cobre reduz a radiação e melhora a imunidade.

Princípio 41: Em placas de camada única ou dupla, minimize a área de loop durante o roteamento.

Motivo: Área de circuito menor = menos radiação e maior imunidade.

Princípio 42: Quando os sinais principais mudam de camada, coloque vias de aterramento próximas às vias de transição.

Motivo: Reduz a área do loop.

Princípio 43: Traços de radiação intensa (clock, barramento, RF) devem ser mantidos afastados das linhas de sinal da interface externa.

Motivo: Impede o acoplamento aos cabos de saída.

Princípio 44: Os sinais sensíveis (reset, chip-select, sinais de controle) devem ser mantidos afastados dos sinais da interface externa.

Motivo: Linhas externas podem transmitir interferências que podem causar mau funcionamento do sistema.

Princípio 45: Para placas de camada única e dupla, os capacitores de filtro devem ser roteados de forma que a alimentação passe pelo capacitor antes de chegar ao CI.

Motivo: Garante que a alimentação seja filtrada antes de chegar ao circuito integrado e filtra o ruído gerado pelo circuito integrado.

Princípio 46: Para trilhas de alimentação longas, coloque capacitores de desacoplamento a cada 3000 mil (10 µF + 1000 pF).

Motivo: Filtra ruídos de alta frequência nas linhas de energia.

Princípio 47: As trilhas do capacitor de filtro para alimentação e terra devem ser o mais grossas e curtas possível.

Motivo: Um ESL mais baixo aumenta a frequência de ressonância do capacitor, melhorando a filtragem de alta frequência.