Los circuitos de hoy en día nadan en un mar de energía electromagnética (EM) de intensidad y frecuencia muy variables. Como resultado, la interferencia EM (EMI), la interferencia de radiofrecuencia (RFI), a menudo agrupadas como temas de compatibilidad electromagnética (EMC), son fenómenos omnipresentes y relacionados que afectan al rendimiento del circuito y a la aprobación formal del producto. Aunque estos han sido temas de preocupación desde los primeros días de la electrónica, ahora están presentando desafíos cada vez más difíciles debido a la amplia disponibilidad de la conectividad inalámbrica, el uso de frecuencias más altas, circuitos más sensibles y rieles de menor voltaje.
La interferencia que afecta a un circuito puede deberse a emisores cercanos de energía electromagnética, tanto intencionados como no intencionados, y puede ser causada por fuentes naturales o artificiales. El circuito en sí mismo también puede emitir energía EM indeseable o inaceptable que afecta a la electrónica cercana. Entre las soluciones más comunes para mitigar los problemas de energía EMI/RFI es añadir un blindaje alrededor de las partes críticas de la placa de circuito o incluso un módulo entero. Durante las etapas de prototipo y placa de prueba, este blindaje puede ser improvisado para entender, atenuar y resolver el problema. Sin embargo, estas soluciones improvisadas no son compatibles con un entorno de fabricación, o con estaciones de prueba, depuración y reparación.
Este artículo identifica los desafíos básicos de la EMC en las placas de PC, ensamblajes y productos. A continuación, se analizan las soluciones de blindaje de Harwin y cómo utilizarlas para la eficacia técnica y la compatibilidad de la producción.
Los problemas de EMC toman dos caminos
La energía de interferencia eléctrica puede viajar de una fuente a un circuito "víctima" por conducción o radiación (Figura 1). En el caso de la conducción, la energía viaja a través de conductores, como hilos o cables. Los diseñadores suelen atenuar esta energía utilizando cuentas de ferrita, filtros, choques y otros componentes pasivos. En el caso de la radiación, el camino de la energía es a través del aire o el vacío que va de la fuente a la víctima, sin conductores metálicos.
Figura 1: La energía electromagnética no deseada puede entrar o salir de un sistema por conducción a través de cables o radiación a través del aire o el vacío. (Fuente de la imagen: Slideshare.net, "Overview of EMI/EMC")
Estos efectos indeseados pueden reducirse a veces reposicionando los componentes en la fuente o en la víctima, pero se trata de un proceso que lleva mucho tiempo y que suele ser poco práctico, imposible o ineficaz. Del mismo modo, el filtrado no es una opción viable, ya que gran parte de la energía EMI/RFI ofensiva está dentro de la banda de radiofrecuencia (RF) operativa de interés, y dicho filtrado también reduciría la fuerza de la señal deseada, comprometiendo el rendimiento del sistema.
Para algunos casos de IEM radiadas, a veces se utiliza una técnica llamada "espectro disperso" para reducir el pico de emisión de IEM en la frecuencia de operación. En este enfoque, el reloj del circuito es "vacilado" aleatoriamente alrededor de su frecuencia nominal, como una forma de salto de frecuencia. Esto esparce la energía de RF a través del espectro, pero no reduce la energía total emitida (Figura 2).
Figura 2: La modulación de un reloj difunde el espectro de RF y así reduce la energía de pico, pero no reduce la cantidad total de energía EM no deseada; la atenuación de los picos puede ser una mejora suficiente para algunas aplicaciones. (Fuente de la imagen: DigiKey)
Algunos diseñadores consideran que el enfoque del espectro ensanchado es un "engaño", ya que se hace principalmente para cumplir los límites de emisión, mientras que otros lo consideran una solución simple y elegante. Se aplica principalmente a los reguladores de conmutación CC-CC cuando una frecuencia de funcionamiento fija no es crítica; pero el salto de frecuencia de espectro extendido no es adecuado para las numerosas situaciones en las que la estabilidad de la frecuencia portadora y de funcionamiento es crítica.
Blindaje pasivo: a menudo la respuesta
En la mayoría de los casos de EMC el circuito de energía ofensivo está fuera del control del diseñador, pero debe ser reducido en la fuente o en la víctima. Una solución eficaz y ampliamente utilizada para hacer frente a la radiación de IEM/IRF es añadir un blindaje de metal conectado a tierra alrededor de la fuente de energía ofensiva o de la víctima, dependiendo de las circunstancias. Esto presenta dos problemas de ingeniería:
- ¿Qué área(s) del tablero de la PC necesita ser protegida?
- ¿Cómo se debería implementar este blindaje en un entorno de producción para minimizar el tiempo de llegada al mercado, el costo y el impacto en la producción?
En muchos casos, el área o áreas que necesitan blindaje son obvias, como la sección de un transceptor de RF; en otros, se necesitarán múltiples esfuerzos para localizar la parte del circuito que está emitiendo demasiado IEM/IRF o que es susceptible de hacerlo. Para encontrar estas áreas, los diseñadores a menudo construyen una pequeña caja conductora hermética a IEM para encerrar y proteger el área investigada. Según el producto y el diseño, esta caja puede ser tan pequeña como una uña o tan grande como para encerrar una tabla entera de PC.
Para las cajas de radiofrecuencia más pequeñas, es posible utilizar láminas de cobre finas dobladas en una caja, con las costuras soldadas o cubiertas con cinta de cobre que tiene un adhesivo conductor. Para recintos medianos y grandes, los trozos de placa de PC revestida pueden cortarse al tamaño necesario para construir la caja, con todas las costuras pegadas con cinta adhesiva o soldadas (Figura 3). En algunos casos, las costuras se "sueldan con tachuelas" en algunos lugares para lograr una estabilidad básica y luego se cubren con la cinta conductora.
Figura 3: Este escudo (con la tapa quitada) alrededor de una pequeña placa de pc está construido con pequeñas piezas de placa revestida sin grabar con costuras soldadas. (Fuente de la imagen: QRP HomeBuilder)
La caja se coloca entonces sobre el área de la placa que se está evaluando y la línea de unión entre el fondo abierto y la placa de la PC se suelda a una tierra de RF de baja impedancia. En la práctica, esto puede ser en realidad más difícil de lo que parece, ya que la placa de la computadora personal a menudo no tiene todavía un rastro de tierra que corresponda al perímetro de la lata construida. Aunque unos pocos puntos de conexión pueden ser suficientes, una conexión a tierra más continua significa que hay menos camino para la fuga de RF dentro o fuera del ensamblaje de la lata.
Hay otra preocupación con este enfoque de soldadura. Debido a las delgadas huellas de muchas placas de PC, soldar o desoldar la lata de prueba de las placas probablemente dañará las delicadas huellas y arruinará la placa. Por lo tanto, es una buena idea hacer algunas mediciones de la situación utilizando sondas de RF y olfateadores antes de construir y fijar estas latas de blindaje.
Un mejor prototipo de escudo se aproxima
La fabricación de una lata de apantallamiento con láminas de cobre o placas de PC revestidas de cobre funciona, pero es un proceso que lleva mucho tiempo. Además, requiere tratar con el sustrato FR-4 (si se usan placas de pc), que es difícil de cortar sin el montaje adecuado y deja desagradables "astillas" de fibra de vidrio en los dedos del usuario a menos que se usen guantes. Incluso el uso de una lámina de cobre desnuda tiene sus problemas, ya que puede rebanar los dedos si se maneja con descuido, y puede requerir el acceso a un pequeño freno de flexión para lograr los pliegues adecuados de 90° de los bordes y las esquinas. Lo que al principio puede parecer un simple enfoque de bricolaje para construir una caja de pruebas de blindaje no es tan rápido y fácil como parece, aunque ciertamente es factible.
Afortunadamente, hay una solución mejor usando el kit de latas de protección RFI S01-806005 de Harwin. Este kit viene con dos láminas de blindaje grabadas con una rejilla cuadrada de 5 milímetros (mm), 24 clips de blindaje RFI e instrucciones fáciles de seguir. Para hacer una caja plegada básica, basta con dibujar un simple diagrama de la dimensión de la caja requerida, cortar el material de lámina innecesario y doblar el material restante sobre las líneas grabadas utilizando una regla de metal como guía y un freno de flexión informal (Figura 4).
Figura 4: Usando el kit de latas de escudo RFI S01-806005 de Harwin, los usuarios pueden construir fácilmente latas de escudo de tamaño personalizado usando las láminas metálicas suministradas con un patrón de rejilla de 5 mm grabado. (Fuente de la imagen: Harwin)
La lata está ahora lista para ser conectada a la placa de circuito simplemente encajándola en los clips de escudo RFI S1711-46R suministrados, que pueden ser reflujo o incluso soldados a mano a la placa (Figura 5). Este es un enfoque mucho mejor que intentar soldar la lata directamente a la placa, y también permite una fácil extracción de la lata según sea necesario para la prueba, medición, evaluación y depuración del circuito "enlatado".
Figura 5: El clip de escudo RFI S1711-46R suministrado está soldado a la placa de la PC, y entonces cualquier lata construida con el kit de lata de escudo RFI S01-806005 puede ser fácilmente conectada a él. (Fuente de la imagen: Harwin)
El prototipo no es producción
Aunque las latas de bricolaje o el kit de latas Harwin Shield pueden apuntar a una solución EMC, no son compatibles con la producción de alto o incluso bajo volumen. Claramente, construir una cantidad de recintos a partir de "desechos" de placas de PC o de láminas de cobre dobladas requiere de pasos de producción y tiempo adicionales, y es un artículo no estándar para poner en la lista de materiales (BOM). Incluso si eso es aceptable, la unión de estos a la placa de circuito impreso mediante soldadura a lo largo de la unión entre la caja y la placa es una operación manual, a diferencia de la soldadura de reflujo estándar de los otros componentes; también hay una buena posibilidad de dañar la placa, y la eliminación para la prueba o la reparación es poco práctica.
Una vez más, hay un mejor enfoque para resolver el problema utilizando latas prefabricadas de blindaje de RF y los clips de montaje de Harwin. Estas latas rectangulares de níquel-plata sin recubrimiento, altamente conductoras de RF, están disponibles en una amplia gama de tamaños y alturas de huella, desde una diminuta de 10 mm x 10 mm x 3 mm de alto (0,394 x 0,394 x 0,12 pulgadas) con un espesor de material de 0,15 mm para la S03-10100300R (Figura 6), hasta latas más grandes como la S01-50250500 que mide 25 mm x 50 mm x 5 mm de alto (aproximadamente 1 x 2 x 0.25 pulgadas) con un espesor de 0.3 mm.
Figura 6: El escudo S03-10100300R de Harwin puede medir 10 mm x 10 mm x 3 mm de alto (0.394 x 0.394 x 0.12 pulgadas) y es un buen ajuste para los diminutos circuitos de RF de la actualidad. (Fuente de la imagen: Harwin)
Estas latas por sí solas resuelven solo una parte de la necesidad de producción. Por esta razón, Harwin ofrece una amplia variedad de clips que pueden ser soldados por reflujo a la placa de la PC (Figura 7), y en los que la lata se encaja y se desenchufa. Los diversos clips se adaptan a diferentes situaciones de placa en cuanto a disposición, orientación, acceso e interferencia con las pistas y terrenos adyacentes del tablero de la PC, así como al grosor del material de la lata.
Figura 7: Los clips complementarios para el montaje de latas que completan la solución de apantallamiento y montaje están disponibles en diferentes estilos y tamaños que corresponden al espesor de la lata, y en diversas configuraciones para satisfacer las diversas necesidades de las placas de circuito impreso. (Fuente de la imagen: Harwin)
Ciertos estilos de clip están diseñados para aplicaciones de dispositivos móviles con alimentación de antenas, y existen configuraciones que protegen de la sobrecompresión, evitan enganches inesperados y pueden utilizarse en forma vertical u horizontal. Se dispone de microclips con un perfil tan bajo como 1.1 mm, así como de 90⁰ clips de esquina diseñados para hacer frente a la interferencia localizada de los remolinos.
Factorizando la atenuación de RF, el enfriamiento
Hay un hecho básico sobre las latas de metal de superficie sólida que rodean los componentes del circuito: pueden impedir el flujo de aire de convección de enfriamiento de las superficies de los componentes que encierran. Esto podría parecer que descarta las latas de apantallamiento en muchas aplicaciones, pero esa no es realmente la situación. La razón es que el metal de la lata es bastante delgado, de 0.15 a 0.3 milímetros dependiendo del modelo y tamaño específico de la lata. Esa delgadez presenta solo una pequeña barrera al flujo de calor por conducción desde el interior de la lata hacia su exterior. Una vez que el calor ha sido conducido a la superficie exterior, puede ser llevado por convección de aire libre o forzado u otros medios.
A este respecto, una lata de metal delgado es mucho mejor térmicamente que un recinto blindado hecho de material común de placa de PC FR-4, que presenta una barrera de impedancia térmica mucho más alta con una conductividad de entre 1 y 3 vatios/metro-Kelvin (W/m-K) y un espesor estándar de 1.6 milímetros. Compare esta cifra con la conductividad del níquel-plata, que es unas 1000 veces mayor, y también mucho más delgada (de nuevo, solo de 0.15 a 0.3 milímetros). El modelado térmico básico puede cuantificar el impacto de la fina lata de metal en el enfriamiento. Además, en casi todos los casos, es una buena práctica seguir la técnica estándar de utilizar el cobre de la placa de circuito impreso subyacente, con su alta conductividad térmica, para eliminar una cantidad sustancial de calor de los componentes montados.
Una solución aparente para mejorar la convección térmica con latas de blindaje es hacer agujeros en la superficie de la lata. Sin embargo, esto añade un nuevo conjunto de cuestiones. Los agujeros tienen que ser lo suficientemente pequeños y estar lo suficientemente separados como para no permitir fugas de radiofrecuencia. Como el diámetro y el espaciamiento máximos permitidos son una función de la longitud de onda, una pauta típica de primer orden es que cualquier abertura no debe ser más de una décima parte de la longitud de onda más corta que se esté protegiendo.
Sin embargo, decidir la longitud de onda crítica y, por lo tanto, el tamaño del agujero no siempre es fácil u obvio, ya que la energía de RF infractora puede estar en frecuencias que son más altas (y por lo tanto en una longitud de onda más corta) que la frecuencia operativa aparente o la frecuencia portadora del producto. Considere que una señal de frecuencia de gigahertz puede sobrecargar y saturar un amplificador frontal de frecuencia de megahertz cercano. Por lo tanto, el tamaño máximo del agujero permitido tendría que ser mucho más pequeño que el dictado por un simple análisis de primera pasada de la frecuencia de funcionamiento del producto.
Tenga presente que, además de asegurar el rendimiento del circuito, otro objetivo de la lata y los clips de blindaje puede ser proporcionar una atenuación de RF en una amplia gama de frecuencias para cumplir los requisitos reglamentarios del producto. Estas normas reguladoras relacionadas con la compatibilidad electromagnética definen la máxima RFI/EMI que un producto puede crear dentro de las diversas zonas del espectro de RF, así como la susceptibilidad permitida del producto como víctima de EMI/RFI, independientemente de la frecuencia operativa nominal.
Por lo tanto, el apantallamiento a menudo debe hacer más que asegurar el rendimiento en la frecuencia de funcionamiento obvia, sino que también puede tener que proporcionar atenuación en todo el espectro EM más amplio. La utilización de agujeros de refrigeración dimensionados únicamente para la frecuencia de funcionamiento nominal puede reducir la atenuación lograda en esas longitudes de onda más cortas y puede afectar a la aprobación reglamentaria.
Conclusión:
La compatibilidad electromagnética y los problemas de RFI/EMI afectan a casi todos los productos y aplicaciones electrónicas, y el creciente uso de enlaces inalámbricos junto con frecuencias más altas está haciendo que la situación de diseño sea más desafiante. La solución a muchos problemas debidos a la radiación de IEM/IRF a menudo implica un blindaje básico de RF usando una lata de metal para encerrar completamente los circuitos afectados.
Estas latas están disponibles como artículos estándar en una amplia variedad de tamaños, junto con una selección de clips para placas de PC en diversas configuraciones, lo que permite que las latas puedan ser fácilmente colocadas o removidas de la placa de circuitos. Estos clips también son totalmente compatibles con el equipo utilizado para la inserción y soldadura de componentes empaquetados SMT en un entorno de producción de volumen.
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