«¿Por qué una placa irradia ruido?»
Cuando investigas un circuito que ha fallado un ensayo de EMC, la mayoría de los problemas se remontan a «cableado que forma un lazo». En este artículo explicamos cómo un circuito eléctrico funciona como antena y por qué el área del lazo está directamente ligada a la radiación de ruido.
Fundamentos de antenas — Dos tipos de antena
Hay, a grandes rasgos, dos tipos de antena.
Antena de varilla (antena lineal): un conductor recto. Su intensidad de radiación es proporcional a «longitud de la antena × corriente». En el campo cercano domina el campo eléctrico.
Antena de lazo: un conductor en forma de lazo. Su intensidad de radiación es proporcional a «área del lazo × corriente». En el campo cercano domina el campo magnético.
Y el cableado de una placa funciona, sin quererlo, como ambas antenas.
El «lazo oculto» del cableado de señal
Este es el punto más importante.
Una pista de señal en una placa parece a primera vista una «línea recta corta». Pero la señal siempre forma un lazo de ida y retorno. El camino de retorno es la pista de masa común. La pista de señal más la pista de masa forman un lazo, y esa área del lazo determina la intensidad de radiación.
Organizado como fórmula, la intensidad de radiación de una antena de lazo es:
Intensidad de campo E radiado ∝ área del lazo (S) × corriente (I) × frecuencia² (f²)Es decir, cuanto mayor es el lazo, mayor la corriente y más alta la frecuencia, más aumenta la radiación de ruido. Que los problemas de EMC se agraven al subir la frecuencia de reloj de un circuito digital se debe a que la radiación crece con el cuadrado de la frecuencia.
Minimizar el área del lazo es la medida básica
La forma más directa de suprimir la radiación es hacer pequeña el área del lazo.
Medida 1: Acercar la pista de señal y la masa
Coloca un plano de masa justo debajo de la pista de señal y la corriente de masa fluirá justo bajo la pista, minimizando el área del lazo. Esta es una de las principales razones para disponer un plano de masa en una placa multicapa.
Medida 2: Trazar con el camino de retorno en mente
En una placa de 2 capas sin plano de masa, es importante ser consciente de por dónde fluye la corriente de masa. Hacer correr una pista de masa junto a la pista de señal reduce el lazo.
Medida 3: Localizar el lazo con un condensador de desacoplo
Los cambios abruptos de la corriente de alimentación de un integrado son una causa principal de la radiación por lazo. Colocando un condensador de desacoplo justo al lado del integrado, puedes localizar el lazo por el que circula la gran corriente en una pequeña región alrededor del integrado.
Efecto de antena de varilla — Radiación desde cables externos
Si el efecto de antena de lazo es un problema dentro de la placa, el efecto de antena de varilla es principalmente un problema de los cables externos.
Un cable que sale de un equipo electrónico es un conductor largo y recto. La corriente de señal dentro del cable (modo normal) se cancela en ida y retorno, por lo que no irradia. Pero la corriente en modo común fluye en la misma dirección, así que no hay cancelación y radia ruido con fuerza como una larga antena de varilla.
Las fuentes conmutadas son una fuente típica de ruido en modo común. Cuando el ruido en modo común del interior de la placa se sube a un cable externo, ese cable se convierte en una antena gigantesca. A la inversa, también capta ruido externo intenso en modo común a través del cable.
Aquí está la razón de colocar un filtro de modo común (CMC) en la salida del cable. Al cortar la componente de modo común antes de que se suba al cable, se evita que el cable se convierta en antena.
El lazo también aumenta la inductancia
La desventaja de un área de lazo grande no es solo la radiación. El cableado en forma de lazo tiene inductancia. Cuanto mayor es el lazo, más aumenta la inductancia, y más aumenta también la tensión de ruido debida a V = L × di/dt.
Es decir, «hacer pequeña el área del lazo» es una medida que mata dos pájaros de un tiro: sirve tanto para reducir el ruido radiado como para reducir el rebote de masa.
Resumen
- El cableado funciona sin querer como antena. El cableado en lazo es una antena de lazo; el cableado recto, una antena de varilla.
- La intensidad de radiación de una antena de lazo es proporcional a «área del lazo × corriente × frecuencia²».
- La verdadera fuente de radiación es el lazo que incluye la corriente de masa que retorna la señal. Devuélvela justo por debajo con un plano de masa para minimizar el área del lazo.
- Los cables externos se convierten en potentes antenas de varilla para la corriente en modo común → córtala con un CMC.
- Reducir el área del lazo logra a la vez la reducción de radiación y la reducción de inductancia.
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