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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA EM PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

Área de Engenharia Elétrica

por

Bruno Cesar de Camargo Angeli

William Cesar Mariano, MsC Orientador

Campinas (SP), Campinas de 2007

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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA EM PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

Área de Engenharia Elétrica

por

Bruno Cesar de Camargo Angeli Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: William Cesar Mariano, MsC

Campinas (SP), dezembro de 2007

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS.................................................................. iii LISTA DE FIGURAS ................................................................................ iv

LISTA DE TABELAS ............................................................................. viii LISTA DE EQUAÇÕES ........................................................................... ix

RESUMO ..................................................................................................... x

ABSTRACT ................................................................................................ xi 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................... 1 1.1.1. História da Placa de Circuito Impresso ........................................................ 1 1.1.2. Processos de Fabricação ................................................................................ 2 1.2. OBJETIVOS ..................................................................................................... 3 1.2.1. Objetivo Geral ................................................................................................ 3 1.2.2. Objetivos Específicos...................................................................................... 3 1.3. METODOLOGIA ............................................................................................. 3 1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 4

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................ 6 2.1.1. Transientes/ Disturbios nas linhas de alimentação (fonte) ........................... 6 2.1.2. EMP e RFI ...................................................................................................... 7 2.1.3. Descargas Eletrostáticas (ESD - Eletrostatic Discharge) ........................... 11 2.1.4. Circuitos Digitais .......................................................................................... 12 2.1.5. Margem de ruído ou imunidade ao ruído ................................................... 15 2.1.6. Fatores que influenciam a EMI na Placa de Circuito Impresso ................ 19 2.1.7. A influência da distruição de energia .......................................................... 20

3. PROJETO ............................................................................................. 22 3.1.1. Equações de Maxwell ................................................................................... 22 3.1.2. Propriedades dos Materiais ......................................................................... 23 3.1.3. Componentes do PCB .................................................................................. 24 3.1.4. Técnicas para construção de PCB .............................................................. 28 3.1.5. Linhas de Transmissão em PCB .................................................................. 39 3.1.6. CrossTalk em PCB ....................................................................................... 54 3.1.7. Aterramento ................................................................................................. 58 3.1.8. Componentes protetores contra interferência eletromagnética ................ 66

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................. 75

BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS..................................................... 76

LISTA DE ABREVIATURAS

TCC Trabalho de Conclusão de Curso USF Universidade São Francisco CPqD Centro de Pesquisa e Desenvolvimento CI Circuito Integrado IC Integrated Circuit CC Corrente Continua CA Corrente Alternada EMI Electromagnetic Interference EMC Electromagnetic Compability EMP Electromagnetic Pulse RFI Radio Frequency Interference ESD Electrostatic Discharge TEM Transverse Electromagnetic MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Gráfico contendo anomalias na tensão

Fonte: New Techniques for Reducing Printed Circuit Board Common-Mode Radiation 7

Figura 2. Fontes de ruídos e suas soluções


Figura 3. Início de um pulso eletromagnético

Fonte: http://tempest.das.ucdavis.edu/pdg/reflect/theory/BIC_1a.GIF 9

Figura 4. Descarga eletrostáticas – (a) conduzida e (b) induzida

Fonte: Designe Technique 11

Figura 5. Circuito Watchdog

Fonte: Sistemas Digitais: uma Abordagem Integrada 13

Figura 6. Margem de ruído.


Figura 7. Ruído máximo exemplificado.


Figura 8. Caracterização de um pulso.

Fonte: Introduction to Electromagnetic Compability 17

Figura 9. Gráfico largura de pulso versus ruído.


Figura 10. Gráfico largura de pulso versus ruído - tempo


Figura 11. Gráfico de Resistência x Temperatura.

Fonte: http://www.dsee.fee.unicamp.br/~sato?ET515/node10.html 24

Figura12. Resistor wire-wound (4,7 Ohm).

Fonte: http://dkc1.digikey.com/imagecache/0000006/t006_r56886_v-2.jpg 25

Figura13. Modelamento de um capacitor.

Fonte: Software Altium Designer 25

Figura14. Modelagem de um Capacitor.


Figura15. Comportamento da Impedância de um anel de ferrite.


Figura 16. Esquema de um Transformador com figuração Center-Tap.

Fonte: http://www.geocities.com/romulo1954/CursoEG/CursoE8.gif 27

Figura 17. Relação entre componentes, comportamentos e respostas.


Figura 18. Radiação em placa


Figura 19. Plano Imagem e sua Indutância parcial.


v

Figura 20. Regra λ/20


Figura 21.Distribuição adequada de terra


Figura 22. Exemplo de roteamento com mudança de camada.


Figura 23. Uso de vias em roteamento.


Figura 24. Particionamento em placa.


Figura 25. Roteamento de Placas Face Única.


Figura 26. Resposta em freqüência de um Capacitor.


Figura 27. Resposta em freqüência de capacitores em paralelos.


Figura 28. Linha de transmissão simplificada


Figura 29. Representação de trilha em placa


Figura 30. Trilha stripline


Figura 31. Stripline

Fonte: Catálogo de normas Multek 43

Figura 32. Stripline diferencial


Figura 33.Microstrip


Figura 34. Microstrip 3-D


Figura 35. Microstrip e stripline diferenciais

Fonte: Introdutcion to Electromagnetic Compability 46

Figura 36. Software para cálculo de impedância

Fonte: Software Microstrip & Stripline Calculator - Logiccell 48

Figura 37. Editor impedância microstrip


Figura 38. Editor de impedância stripline Fonte: Software Altium Designer 51

Figura 39. Representação trilhas Snakes em software de roteamento


vi

Figura 40. Placa com trilhas Snakes

Fonte: Foto de placa desenvolvida pelo CPqD 52

Figura 41. Representação de crosstalk


Figura 42. Crosstalk


Figura 43. Regra para pares diferenciais

Fonte: Introdction to Electromagnetic Compability 56

Figura 44. Representação terra de proteção


Figura 45.Terra de Sinal


Figura 46. Aterramento 1 ponto – a- conexão série b- conexão paralela


Figura 47. Aterramento multiponto


Figura 48. Ligação estrela.


Figura 49. Plano de referência (baixa frequência)


Figura 50. Plano de referência (alta frequência)


Figura 51. Loop de terra.


Figura 52. Tipos de isolação.


Figura 53. Filtro de linha internamente

Fonte: http://static.howstuffworks.com/gif/surge-protector-open.jpg 66

Figura 54. Corrente versus Temperatura

Fonte: Noise Reduction Techniques in Electronic Systems 67

Figura 55. Filtro modo diferencial

Fonte: Designe Techniques 67

Figura 56. Filtro modo comum


Figura 57. Filtro unificado (diferencial e comum)


Figura 58. Localização de filtros em sistemas

Fonte: : Designe Techniques 69

Figura 59. Ferrite bead


vii

Figura 60. Utilização do ferrite


Figura 61. Ferrite em diodos


Figura 62. Filtro RC

Fonte: http://www.mspc.eng.br/elemag/img01/corr_ac102.gif 72

Figura 63. Capacitor feddthrough

Fonte: Noise Reduction Techniques in Eletronic Systems 73

Figura 64. Rede Snubber


LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Níveis de Energia de Componentes ................................................................................ 10

Tabela 2. Valores típicos de algumas famílias lógicas 14

Tabela 3. Valores máximos e mínimos TTL 15

Tabela 4. Referência do fator de ruído 18

Tabela 5. Espessuras de lâminas para fabricação de placas 49

Tabela 6. Constantes Dielétricas dos materiais 49

Tabela 7. Dados de cálculos 49

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação1 6 Equação2 14 Equação3 22 Equação4 22 Equação5 22 Equação6 23 Equação7 23 Equação8 23 Equação9 23 Equação10 29 Equação11 29 Equação12 30 Equação13 30 Equação14 31 Equação15 37 Equação16 37 Equação17 39 Equação18 39 Equação19 40 Equação20 41 Equação21 43 Equação22 43 Equação23 44 Equação24 44 Equação25 45 Equação26 46 Equação27 46 Equação28 46 Equação29 46 Equação30 47 Equação31 47 Equação32 47 Equação33 47 Equação34 59 Equação35 61 Equação36 61

RESUMO

ANGELI, Bruno. Radiação Elétromagnética em placas de circuito impresso. Campinas, 2007. no f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2007. Hoje em dia é muito importante sistemas chamados limpos, ou seja, sistemas que causam menos poluições e perturbações ao meio ambiente, sendo a interferência eletromagnética um tipo de perturbação muito comum em sistemas eletrônicos. Estas perturbações podem causar o mau funcionamento de um circuito, interferência na forma de ruídos em sistemas de telecomunicação, entre outros fatores Este trabalho foi elaborado para fazer com que este tipo de problema seja minimizado, ou até mesmo eliminado, através do uso de soluções práticas e simples. Foi, então, desenvolvido um trabalho contendo uma linguagem simples e de fácil entendimento focando nos principais e mais comuns problemas em placas de circuito impresso, seguidos de possíveis sugestões para sua melhoria. Palavras-chave: Placas de circuito impresso. Interferência eletromagnética.

ABSTRACT

Now a days, it’s very important systems called clean, meaning, systems which cause less pollutions and disturbing into the environment, mention electromagnetic interference a kind of disturbing very common in electronic systems. These perturbations can cause bad working in circuitries, interferences in a noisy form in telecommunication systems, and so on. This work was made to make this kind of problem be minimized, or even eliminated, by using practical and simple solutions. So, it was developed a work that contain an easy and simple language for an easy understanding, focusing on major and common problems in printed circuit boards, followed by possible suggestions for it enhance.

Keywords: Printed circuit board. Electromagnetic interference.

1. INTRODUÇÃO

Circuito impresso pode ser definido como uma impressão de um desenho que contenha

interligações elétricas entre componentes de um determinado projeto sobre uma chapa (placa) de

material resistente coberto com uma fina camada de cobre.

Basicamente, uma placa de circuito impresso é construída com um lado cobreado sobre um

isolante, este isolante pode ser feito de fenolite ou fibra de vidro. As conexões elétricas que são

construídas em placas são chamadas de trilhas, e suas terminações, dependendo do componente ao

qual será ligado, podem ser chamadas de vias ou ilhas. Uma via é um furo metalizado, onde há,

obrigatoriamente, a mudança de layer. Outro tipo de terminação de trilha encontrada em placas,

além das vias, são os chamados pads, estes por sua vez, como o próprio nome já diz, são

preenchimentos, ou seja, áreas cobertas de cobre onde os terminais dos componentes serão

soldados.

1.1.1. História da Placa de Circuito Impresso

No início os sistemas eletrônicos eram confeccionados em barras de terminais, nestas barras

eram soldados todos os componentes e fios para formar as ligações elétricas. Esta técnica foi

substituída com a criação de placas de circuito impresso nos anos 50. Com esta criação houve uma

redução no tamanho de equipamentos e um aumento na escala de produção, já que uma placa de

circuito pode ser duplicada facilmente em pouco tempo.

Os primeiros circuitos feitos neste novo tipo de tecnologia utilizavam uma chapa de fenólico

(papelão e resina). As trilhas eram feitas através de serigrafia (processo de impressão a base de

tinta) e o excesso retirado a base de um processo químico de corrosão

Hoje em dia, com a evolução dos processos de fabricação de placas, juntamente com a

necessidade de sistemas mais densos devido ao alto número de componentes utilizados, criou-se

circuitos impressos com múltiplas camadas de cobre.

2

1.1.2. Processos de Fabricação

A fabricação de placas de circuito impresso pode ser dividida em dois processos : o processo

aditivo e o substrativo.

Processo substrativo – este artifício é o mais antigo e o mais utilizado. O processo baseia-

se em aplicação de uma imagem do circuito em uma placa – única face ou dupla face – através de

técnicas como serigrafia e laminação de filmes, passando por corrosão química para retirar o

excesso de cobre.

Processo Aditivo – este processo inicia-se com uma placa nua (sem cobre) e, através de

processos de deposição química, assenta-se o cobre para construção de trilhas, vias e pads. Por

economizar na utilização do cobre seu custo de fabricação fica menor que o processo anterior. Esta

técnica é bastante implementada para criação de placas em grande escalas, como computadores,

televisores, etc.

1.1.2.1. Material Isolante

Pode-se ter vários tipos de materiais usados para fabricação, porém os mais comuns são:

Fenolite: constituído de papelão impregnado com uma resina fenólica (de onde surgiu seu

nome). Possui boa rigidez e isolação elétrica. Utilizado somente em placas do tipo face-simples.

Possui boa estampabilidade, servindo como base para fabricação de placas em larga escala e com

baixo custo. Como pontos negativos, podemos colocar as alterações de suas propriedades elétricas

com a umidade, podendo afetar circuitos impressos mais críticos (ex.: circuitos de rádio-

frequência).

Fibra de Vidro: constituido de um laminado de fibra de vidro, podendo ter uma ou ambas as faces

com cobre. Possui boa rigidez e ótima isolação elétrica. Utilizado em circuitos impressos

profissionais e para fabricação de placas de face-simples, dupla-face e multi-layer. Não possui boa

estampabilidade. Consegue-se produzir circuitos de alta densidade de trilhas, devido as suas

características.

Composite: Trata-se de uma mistura de resina fenólica com a fibra de vidro. Possui melhor

3

estampabilidade que a fibra. Trata-se de um intermediário entre os dois tipos espostos. Utilizado

apenas em placas de dupla-face.

Cerâmicos: utilizados em placas de rádio-frequência e outros circuitos críticos em que o

material base influencia no circuito, atuando como dielétrico entre as camadas, e podendo alterar o

funcionamento do mesmo.

1.2. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é o de fazer um estudo da emissão de radiação eletromagnética em

placas de circuitos impressos a fim de melhorar sua qualidade. Esse estudo visa estudar,

basicamente, a disposição de trilhas, o acoplamento e o desacoplamento de sinais, o tratamento

específico em relação a linhas de transmissão, o crosstalk, e outros fatores, com o propósito de

apresentar os erros mais comuns e as possíveis soluções e melhorias no desenvolvimento de placas

de circuito impresso.

1.2.1. Objetivo Geral

Realizar o estudo da influência e efeitos causados pela radiação eletromagnética em sinais

de placas de circuitos impressos, fontes de alimentação e sistemas em geral.

1.2.2. Objetivos Específicos

Especificamente, este trabalho visa estabelecer o posicionamento de componentes, trilhas,

aterramento, tratamento de sinais em relação ao tempo, disposição de linhas de transmissão, efeitos

do crosstalk, implementação de plano imagem, chaveamento e outros aspectos causadores de

Interferência Eletromagnética - EMI.

1.3. METODOLOGIA

O desenvolvimento do estudo de Compatibilidade Eletromagnética - EMC em placas de

circuitos impressos foi iniciado com base nas informações e artigos de pesquisa da Internet e

bibliografias técnicas sugeridas pelo professor orientador. Além disso, é importante mencionar que

esse tema começou a ser estudado no semestre anterior na disciplina de projetos de eletrônica.

Na primeira parte do trabalho, foi realizado um estudo crítico do material pesquisado, por

meio de discussões feitas com o orientador e levantamento de pontos mais importantes das

4

pesquisas. Em seguida, foi realizado um estudo intensivo sobre as normas e regras vigentes para o

desenvolvimento de placas de circuitos impressos e a análise das principais maneiras de roteamento

visando estas normas. Fazer-se-á um levantamento dos principais erros que ocorrem em programas

que fazem roteamento automático de placas. E sua influência em relação a radiação

eletromagnética, por conseqüência seccionar os itens mais problemáticos e pesquisar soluções.

Foram estudadas também, as melhores técnicas de posicionamento de componentes, trilhas e

a importância de uma boa rede de aterramento para que o circuito se torne imune e limpo em

relação à radiação eletromagnética. Estes estudos serão possíveis através de softwares específicos

na área de EMC para placas de circuitos impressos e permitirão as análises de radiação

eletromagnética e a densidade de campo radiado em relação à disposição de componentes para que

com isso consigamos soluções cabíveis para um melhor desenvolvimento de circuitos.

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho realizado inicializou-se com uma introdução sobre placas de circuito impresso,

sende este o foco de todo o estudo. Nesta introdução falou-se sobre sua origem e seus processos de

fabricação.

Em fundamentação teórica, inicializou-se um estudo básico em Transientes/Distúrbios em

fonte, onde foram abordados os principais fatores que contribuem para estes desequilíbrios,

seguido de uma breve explicação sobre Pulso Eletromagnético, Interferência de Rádio Frequência,

Descargas Eletrostáticas. Abordou-se também, brevemente, circuitos digitais e suas margens de

ruídos assim como sua suscetibilidade ao mesmo.

Introduziu-se os principais causadores de EMI em placas, tais como layout, caminho de

trilhas, escolha de substratos, entre outros.

No projeto, onde se foi desenvolvido todo o estudo, abordou-se os princípios básicos de

Maxwell e propriedades dos materiais, seguido de uma breve explicação sobre os componentes

mais comuns encontrados em placas.

Em seguida, começa-se a falar sobre alguns pontos necessários para otimizar o projeto da

placa para uma maior compatibilidade, entre os tópicos destacam-se:

5

Plano imagem – utilizados para obter um caminho contendo baixa impedância para as

correntes de retorno, fala-se um pouco sobre este plano e sua indutância, entre outros aspectos;

Uso de vias – aborda as preocupações de seu uso em altas frequências;

Particionamento – destacando-se o por que de seu uso e suas vantagens;

O próximo capítulo criado chama-se Linhas de Transmissão. Nele apresenta-se, de uma

forma muito simples, seus conceitos e efeitos em placas, assim como topologias de roteamento para

melhor desempenho. Dentro de topologias, têm-se uma explicação breve sobre construção de linhas

stripline e microstrip em placas, juntamente com alguns softwares capazes de calcular a distância

máxima entre trilhas, capacitância e impedância características para ambas configurações.

Um tópico apresentado também, chama-se Crosstalk. Neste tópico discute-se as

consequências do crosstalk causadas devido a um mau roteamento de trilhas, com suas devidas

sugestões para evitá-los. Acompanha-se também uma regra de fácil implementação ao se projetar

placas.

Em aterramento define-se seus conceitos fundamentais, distinção entre terra de proteção e

terra de sinal, assim como aterramento 1 ponto e multiponto, abordando qual a melhor escolha a ser

feita em relação ao sinal que se propagará no circuito.

E por último, algumas considerações suscintas de componentes que ajudam a prevenir a

interferência eletromagnética em PCBs.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1.1. Transientes/ Disturbios nas linhas de alimentação (fonte)

Um equipamento pode sofrer vários fenômenos em sua linha de alimentação – sobretensão,

subtensão e picos de tensão – se em sua proximidade ocorrer:

• chaveamento de potência;

• operação de semicondutores de potencia;

• acionamento de disjuntores, relés e chaves;

• abertura de fusíveis;

• ligações e/ou desligamento de cargas muito elevadas, pois o ligar e desligar de chaves de

cargas elétricas muito elevadas, ou seja, correntes elevadas, juntamente as indutâncias

presentes no sistema, incluindo a indutância de cabos, condutores e terminais de

componentes, e o efeito bounce – trepidar - dos contatos elétricos da chave provocam de

certo modo uma sobretensão, que pode ser representada pela seguinte fórmula:

t

iLe

∂

∂=

Equação 1

• tensão induzida devido a queda de raios (indução de tensões espúrias);

• etc;

A figura abaixo representa efeitos como subtensão, sobretensão e pico de tensão, ambas com

parâmetros respectivos a tensão de entrada (normal).

7

Figura 1. Gráfico contendo anomalias na tensão

O esquema de proteção para estes tipos de transientes/distúrbios nas linhas são:

• instalação de filtros de linhas;

• filtrar a distribuição de CC;

• blindar os casos de alimentação;

• mudar o circuito de alimentação do equipamento;

• utilizar transformadores com blindagem de Faraday;

• verificar a influência de ruídos na malha de aterramento;

• encaminhamento apropriados dos diversos tipos de cabos internos do sistema.

2.1.2. EMP e RFI

Qualquer sistema que provê pulsos, chaveamento e/ou arcos elétricos vai criar os chamados

pulsos eletromagnéticos – EMP (Eletromagnetic Pulses) ou então Interferência de rádio frequência,

também conhecida como RFI (Radio - Frequency Interference), sistemas como ignição automotiva,

coletores de motores elétricos, interruptores e descargas eletrostáticas são exemplos de

equipamentos criadores deste tipo de distúrbio.

A principal estratégia para proteção será a redução da intensidade de campo recebido pelo

equipamento, através de:

8

• Uso de equipamentos em recipientes, o qual deve atuar como blindagem;

• blindagem dos cabos que entram e saem do equipamento;

• utilização de blindagens internas em volta das partes mais suscetíveis do equipamento;

• modificação da posição e/ou orientação do equipamento;

• blindagem da sala em que o equipamento será instalado, utilizando por exemplo grades

metálicas.

Figura 2. Fontes de ruídos e suas soluções

9

2.1.2.1. EMP

Formados devido a uma explosão nuclear o pulso eletromagnético irradiado gera um campo

extremamente intenso, chegando a medir 105 V/m se campo elétrico e 260 V/m o campo magnético.

O tempo de subida é muito rápido, na ordem de 5 kV/ns, chegando seu pulso obter uma largura de

20 ns.

A figura a seguir apresenta o a formação de um pulso eletromagnético.

Figura 3. Início de um pulso eletromagnético

Observação: valores próximos a interferência gerada por um EMP pode ser alcançada por descargas

atmosféricas.

A EMP pode causar:

• 1- Mau funcionamento de circuitos, variando de alterações nos pontos de operação de

componentes, até fazer com que transistores entrem em ponto de corte e saturação. Em

sistemas analógicos poderá ocorrer perda de regulação da fonte e em sistemas digitais,

jumpers e resets inesperados e não desejados.

• 2- Burnout – ou seja, queima – provocado por sobre aquecimento (efeito Joule),

podendo ocorrer derretimento de componentes levando a abertura de sistemas/circuitos.

10

Muitas vezes as partes derretidas escorrem sobre o restante do circuito causando curto

circuitos.

A seguir tem-se uma tabela com valores típicos de energia para provocar defeitos em

componentes, para planejamento, a falha (queima) é considerada uma grandeza de energia acima.

Tabela 1. Níveis de Energia de Componentes

11

2.1.3. Descargas Eletrostáticas (ESD - Eletrostatic Discharge)

É a troca de cargas estáticas entre dois ou mais corpos com potenciais diferentes – fazendo

com que as interferências eletromagnéticas sejam causadas por estes arcos elétricos e/ou correntes

elétricas danificando, com isso, circuitos eletrônicos – seja por contato – quando a corrente ou arco

elétrico flui pelo equipamento, ou indução - quando a corrente ou arco flui externo ao equipamento.

Conforme figura 4. Como o pulso de corrente gerado pela descarga eletrostática tem um tempo de

subida muito curto, tipicamente 4 A/ns, por exemplo, um condutor que apresenta uma indutância de

50 nH, apresentaria uma tensão induzida de módulo:

nt

VniLe

∂

=×=∂= 200450

As descargas eletrostáticas provocam: mau funcionamento, queima parcial ou total dos

componentes, geração de tensões espúrias, etc.

(a) (b)

Figura 4. Descarga eletrostáticas – (a) conduzida e (b) induzida

Este tipo de descarga podem causar:

• Aterramento dos corpos carregados;

• isolamento, isto é, evitar a aproximação dos equipamentos de corpos carregados;

• neutralização - formação de caminhos de ar ionizados;

• controle da umidade relativa.

12

2.1.4. Circuitos Digitais

Apesar de serem considerados mais imune ao ruído que os circuitos analógicos, estes

sistemas podem, em contrapartida, serem mais prejudicados devido os sintomas descritos a seguir:

• desvios no programa (jumpers) não programados;

• problemas na transição de dados;

• erros de endereçamento;

• desordem no funcionamento dos sistemas, etc.

2.1.4.1. Sintomas de problemas com ruídos em sistemas digitais

Os ruídos em sistemas não surgem como problemas na fase inicial de projetos devido ao

ambiente controlado de desenvolvimento, podendo ocorrer problemas após a implementação do

circuito para o ambiente o qual foi designado. Um dos sintomas de fácil obtenção é o

comportamento randômico, isto é, aleatório, um comportamento que não foi previamente defenido.

Causas de falhas e mecanismos de falhas

a) Interferência Eletromagnética (EMI) - em sistemas digitais, provocam mau

funcionamento intermitente, perdas de dados, jumpers não programados - fatos estes ocasionados

durante a presença do sinal interferente;

b) Descargas Eletrostática - ESD (Electrostatic Discharge) - além dos problemas acima

mencionados, provaca degeneração permanente do hardware do sistema, até que outras descargas

de ESD, EMI ou stress térmico provoquem a parada total do sistema (falha)

Nos equipamentos bipolares as descargas eletrostáticas podem provocar um efeito chamado

thermal secondary breakdown – degeneração por avalanche.

Comportamentos inesperados podem ocorrer quando há a presença de ruídos em circuitos

digitais. Um circuito muito usado para fazer com que estes sistemas apresentem operações normais

é chamado de watchdog, como o demonstrado na figura 5. Este circuito é bastante utilizado para

sistemas microprocessado, onde em um período de tempo determinado, um sinal é enviado para

13

resetar o contador. Em sistemas digitais este circuito fará com que o circuito fique em uma condição

conhecida a cada X segundos – onde x é um tempo determinado pelo usuário.

Figura 5. Circuito Watchdog

2.1.4.2. Suscetibilidade eletromagnética e largura de banda de passagem

Novamente, os circuitos digitais apresentam um modo de operação muito diferente aos

analógicos quanto a suscetibilidade eletromagnética e largura de banda de passagem, enquanto

circuitos analógicos têm sua sensibilidade variando de nanovolts a milivolts e apresentam uma

banda estreita – cerca de 1 MHz – os digitais têm em sua medida de imunidade ao ruído partindo de

ruídos de poucas centenas de milivolts e largura de banda maior que 1 MHz.

Logo, pode-se concluir que os circuitos digitais são mais imunes ao ruído de largura de

banda estreita que os analógicos, porém mais suscetível ao ruído de largura de banda larga.

A seguir encontram-se os valores típicos de algumas famílias lógicas.

14

Tabela 2. Valores típicos de algumas famílias lógicas

Fonte: Adaptado de NXP Philips Semiconductors (2005)

A largura de banda é definida como sendo:

r

BW

πτ

1=

Equação 2

Em que:

τr - o tempo de subida ou descida do pulso - o qual for menor, medido entre 10% e 90% do

valor máximo;

Para família TTL tem-se: ( Vt - tensão de transição)

15

Tabela 3. Valores máximos e mínimos TTL

Fonte: Adaptado de NXP Philips Semiconductors (2005)

2.1.5. Margem de ruído ou imunidade ao ruído

A margem de ruído é a medida através da diferença entre o nível de saída e de entrada (o

nível de entrada reconhecida pelo chip) para um mesmo nível lógico.

Esta área pode-se dividir em margem de ruído dinâmico e estático.

A margem de ruído estático está diretamente relacionada ao valor da tensão que provocará o

mau funcionamento do sistema, já a dinâmica está relacionada ao produto do valor da tensão e

16

largura de pulso, também relacionado ao mau funcionamento. Tem-se como exemplo a figura 6

abaixo, apresentando a margem de ruído estática empregado à tecnologia TTL.

Figura 6. Margem de ruído.

Representação de um ruído positivo e negativo em linhas de saídas de um microcontrolador,

figura 7.

Figura 7. Ruído máximo exemplificado.

17

Caracterização de um pulso está representado pela figura 8 abaixo.

Figura 8. Caracterização de um pulso.

A rejeição de um ruído de uma porta TTL, no domínio da frequência é dada pela figura 9,

seguida pela figura 10 representando-a no domínio do tempo.

No domínio da freqüência:

Figura 9. Gráfico largura de pulso versus ruído.

18

No domínio do tempo:

Figura 10. Gráfico largura de pulso versus ruído - tempo.

A tabela abaixo é usada como referência de comprometimento dos diversos fatores de ruído em um sistema digital.

Tabela 4. Referência do fator de ruído

Fonte: Adaptado NXP Philips Semiconductors (2006)

Independente da tecnologia utilizada, a vulnerabilidade ( susceptibilidade) de um circuito

lógico depende:

• Da função do circuito (contador, driver, decodificador, etc) pois cada família de função

pode apresentar diferentes níveis de impedância;

• Do que o circuito está realizando no momento em que recebe o sinal de ruído, por

exemplo, uma porta inversora é mais susceptível a um pulso espúrio positivo quando sua

entrada é um nível lógico zero;

19

• Da importância de um sinal para o sistema, por exemplo, se um ruído ocorrer em uma

linha de dados de um sistema de comunicações, o sistema de controle de controle do

fluxo (protocolo de enlace de dados) de informação pode detectar e solicitar o reenvio da

informação; mas se ocorrer na linha de RESET de um microprocessador, todos os dados

serão perdidos;

• Dos níveis de ruídos a que está submetido o sistema, o que definirá as margens de ruído

necessárias para o sistema;

• Respeito aos limites da tecnologia utilizada, por exemplo:

• transientes extremamente rápidos, acima de 30V, podem danificar circuitos contendo

tecnologia CMOS e FET;

• transientes negativos podem levar circuitos lógicos CMOS ao travamento, isto é, ao

congelamento de seu estado, requerendo o desligamento do equipamento e posterior

ligação para retornar as condições normais de operação.

2.1.6. Fatores que influenciam a EMI na Placa de Circuito Impresso

A placa de circuito impresso é o primeiro componente de um circuito, pois todos os outros

componentes serão montados mecânica e eletricamente a este componente.

Por esta razão se o circuito impresso apresentar algum tipo de problema, o conjunto, isto é, o

circuito montado, também apresentará.

Pesquisas na área de compatibilidade eletromagnética demonstram que no projeto de

circuito impresso, as seguintes fases têm fundamentais importâncias para a melhor compatibilidade

eletromagnética do equipamento.

• layout - disposição física do componente na placa;

• encaminhamento - a escolha do caminho traçado pelo condutor de conexão dos

diversos componentes;

• escolha correta do substrato - tipo do material de que é feita a placa;

• tipo da placa -face simples, dupla face, multicamada.

20

2.1.7. A influência da distruição de energia

A distribuição da energia elétrica é normalmente realizada pelos traçados condutores que

partem da fonte de alimentação, aqui denominada de VCC e TERRA ou Retorno.

A fonte de alimentação abastece a carga com corrente de baixa freqüência, mas devido a

existência de indutâncias no sistema de distribuição da alimentação faz com que a fonte tenha

dificuldade em manter as especificações de tensão nos componentes, por causa das variações de

correntes provenientes do funcionamento do próprio circuito, principalmente se tratando de

sistemas digitais, pela ocorrência de surtos de corrente provocados pelos chaveamentos nos

circuitos.

O princípio básico que deve ser tomado na distribuição de energia é a minimização da área

entre os condutores de alimentação, isto é, minimizar a área do anel de corrente. Não se pode

esquecer que as linhas de alimentação percorrem todo o equipamento, o que facilita a captação de

ruídos por estas linhas.

A impedância da linha de alimentação é predominantemente indutiva e sem importância

para lógicas de baixa potência e freqüência, tais como na tecnologia CMOS onde só os capacitores

de desacoplamento se faz necessário. Na medida em que a freqüência aumenta, mais cuidados

devem ser tomados na confecção do layout, devido ao efeito da impedância comum. Para

minimizarmos estes efeitos é necessário utilizar capacitores de desacoplamento que respondam bem

a freqüência em questão, geralmente utiliza-se um capacitor a cada dois circuitos integrados.

As adições dos capacitores de desacoplamento resolvem os dois problemas, pois o capacitor

atua como uma fonte próxima da carga, para suprir o surto de corrente por meio de uma pequena

linha de baixa impedância, conseqüentemente definindo uma pequena área de anel de corrente para

altas freqüências.

2.1.7.1. Outros modos de distribuição de energia pela placa

• Utilização de trilhas de distribuição da fonte de alimentação com maior largura – linhas

finas e afastadas da linha de retorno apresentam alta indutância – tipicamente 10 nH/cm;

21

• Utilização de dutos/barramentos de distribuição de energia – o qual consiste de dois

condutores planos, um para VCC e outro para o terra – criando um efeito semelhante a

um capacitor. A utilização de tal componente facilita a confecção do layout da placa.

• Utilização de placas multicamadas – a melhor maneira de se conseguir o

desacoplamento é utilizar um Plano de Distribuição de Alimentação, o qual é conseguido

com a utilização de um plano terra e um plano de VCC, em outras palavras, tem se que

usar placas multicamada. Ao se usar planos de alimentação, nota-se que as indutâncias

mútuas não estão presentes ou então estão muito pequenas, apresentando unicamente a

resistência e a auto-indutância implícita da trilha.

3. PROJETO

3.1.1. Equações de Maxwell

Para entender os princípios de EMI em placas de circuito impresso, têm-se que lembrar de

Maxwell e suas leis e equações.

Primeira lei de Maxwell (fluxo elétrico): descreve a criação de um campo eletromagnético

devido ao acumulo de carga elétrica - Lei de Gauss.

ρ=•∇ Drr

Equação 3

Segunda lei de Maxwell (fluxo magnético): demonstra o fato de não haver a presença de

carga magnética (monopólos), apenas cargas elétricas.Sendo o campo magnético produzido pela

ação de correntes ou campo elétrico - Lei de Gauss para o Magnetismo.

0=•∇ Brr

Equação 4

Terceira lei de Maxwell (potencial elétrico): Um campo magnético atravessando um circuito

fechado gera corrente - Lei de Indução de Faraday.

t

BE

∂

∂=•∇rrr

Equação 5

Quarta lei de Maxwell (corrente elétrica): O campo magnético passa a existir em função de

duas fontes. A primeira fonte é o fluxo de corrente, e a segunda, um campo elétrico atravessando

um circuito fechado pode gerar um campo magnético - Lei Circuital de Ampère.

23

t

DJH

∂

∂+=•∇rrrr

Equação 6

3.1.2. Propriedades dos Materiais

Analisando a placa fisicamente, não se pode esquecer dos conceitos básicos que as

envolvem, tais como:

Condutividade: relaciona o fluxo de corrente com o campo elétrico;

EJrr

σ= Equação 7

Permeabilidade: relaciona o fluxo magnético com o campo magnético;

HBrr

µ= Equação 8

Constante dielétrica: relaciona a carga armazenada com o campo elétrico;

EDrr

ε= Equação 9

Onde:

J = densidade de corrente, [A/m2]

σ = condutividade, [S/m]

E = intensidade do campo elétrico, [V/m]

D = densidade do fluxo elétrico, [C/m2]

24

ε = permissividade do vácuo, π36

101 9−⋅, F/m

B = densidade do fluxo magnético, [T]

H = campo magnético, [A/m]

µ = permeabilidade do meio, [H/m]

Em PCB vários fatores causam EMI, sendo o seu principal correntes variantes no tempo,

causadas por chaveamento de transistores (configuração ON/OFF), inversores, etc. Estas correntes

provocam campos elétricos e magnéticos também variantes no tempo. Correntes contínuas geram

campos elétricos e magnéticos estáticos, dando início, através destes campos, o princípio de

funcionamento de capacitores e indutores.

Outro conceito básico que deve ser notado é que cada trilha de uma placa é considerada uma

antena transmissora, e sendo uma antena transmissora conseqüentemente antenas receptoras. Logo,

pode-se concluir que quanto mais interferência eletromagnética a placa emitir maior são as chances

de a mesma captar, pois esta se tornará mais suscetível.

3.1.3. Componentes do PCB

3.1.3.1. Resistores

As aplicações de certos tipos de resistores dependerão da necessidade e complexidade do

seu projeto. Existem diversos tipos de resistores – composto carbono, filme carbono, mica, wire –

wound, etc) porém a escolha do resistor ideal não se dá apenas em relação a sua resistência, mas

também do material que o mesmo é feito e sua resposta em temperatura e freqüência, pois um

resistor só terá resposta linear até certa freqüência, após sua resposta passa a ser não linear.

25

Figura 11. Gráfico de Resistência x Temperatura.

Um resitor de wire – wound não poderá ser usado em alta freqüência devido a sua alta

impedância, uma solução que poderá ser adotada é a utilização do resistor de filme de carbono.

Figura12. Resistor wire-wound (4,7 Ohm).

3.1.3.2. Capacitores

Um capacitor por definição é um componente que armazena energia em forma de campo

elétrico, acumulando um desequilíbrio de cargas elétricas. Suas principais aplicações em placas são:

desacoplamento, desvio e bulk.

O mesmo cuidado tido com resistores deve ser replicado para os capacitores, pois eles

também perdem suas características capacitivas ao atingir suas freqüências de auto ressonância,

começando a apresentarem efeitos indutivos.

Um capacitor pode ser modelado como um resistor, um indutor e um capacitor, todos

ligados em série.

26

Figura13. Modelamento de um capacitor.

• R é sua resistência relacionado a ligação;

• L seu comprimento de ligação;

• C sua capacitância.

Figura14. Modelagem de um Capacitor.

3.1.3.3. Indutores e Anéis de Ferrite

Para o controle de EMI em placas o indutor é muito empregado, sua reatância aumenta

linearmente com a freqüência aplicada, entretanto sua aplicação não é recomendada para

freqüências acima de 1MHz. Para freqüências altas onde o indutor não poderá ser empregado usa-se

anéis de ferrite.

O ferrite apresenta em sua composição liga de ferro e magnésio ou ferro e níquel,

apresentando baixa capacitância para freqüências altas e alta impedância se comparado com os

parâmetros de um indutor, sendo basicamente um componente reativo para sinais RF com grande

capacidade de atenuação.

27

Figura15. Comportamento da Impedância de um anel de ferrite.

3.1.3.4. Transformadores

Transformadores têm como principal objetivo fazer o isolamento de sinais de comunicação

de dados, conexão entrada saída, interfaces de potência e fontes de alimentação. Outra aplicação em

que ele poderá ser empregado é como blindagem.

Transformadores também são muito utilizados para prover a rejeição de sinais em modo

comum (desacoplamento de terra).

Figura 16. Esquema de um Transformador com figuração Center-Tap.

28

Relação entre componentes, seus comportamentos e respostas.

Figura 17. Relação entre componentes, comportamentos e respostas.

3.1.4. Técnicas para construção de PCB

Para um bom desempenho em placas onde há a presença de sinais de alta freqüência e clock,

faz-se necessário um bom caminho de terra e trilhas contendo baixa impedância, pois as correntes

RF geradas precisam voltar as suas fontes (circuito fechado), e elas irão escolher o caminho mais

fácil, e dependendo da condutividade e impedância da trilha, o ar pode se tornar um caminho

utilizado, e com certeza não desejada.

Figura 18. Radiação em placa

29

3.1.4.1. Plano Imagem

Para evitar problemas de radiação eletromagnética um bom caminho de terra e/ou um bom

plano de terra (desejável) devem ser implementados, e uma boa maneira de se fazer isso é

utilizando planos imagem, pois estes planos fazem com que o fluxo eletromagnético tenham a

tendência de se cancelar, ou pelo menos se minimizar, uma vez que as correntes de terra podem

caminhar diferencialmente em relação a sua fonte.

Planos imagem são planos, ou como chamados em softwares dedicados a criação e

desenvolvimento de PCB – polígonos – de cobre, geralmente adjacente as camadas de sinais

conectadas ao terra, voltagem ou chassis do equipamento para prover um caminho quase ideal

(baixa indutância) para o retorno das correntes de RF, minimizando as radiações.

Como foi visto pela lei de Maxwell um campo elétrico variável no tempo gera campos não

estacionários e vice – versa, isto é o que acontece quando estas correntes são transmitidas em

placas, um campo eletromagnético por estas linhas de fluxos são geradas. E de acordo com o

tamanho da trilha e sua geometria, possíveis antenas poderão ser criadas.

Como a indutância nos planos e trilhas de cobre são finitas, ocasionam causam inibição do

acumulo de corrente e carga toda vez que o sinais são aplicados as trilhas ou linhas de transmissão.

Uma antena dipolo assimétrica pode ser criada ao rotear linhas de transmissão

desbalanceada, não equalizadas, sendo que as emissões emitidas serão de modo comum tendo

níveis muito acima de emissões diferenciais que existem em circuitos com trilhas balanceadas.

3.1.4.1.1. Plano Imagem e Indutância

Trilhas, vias e qualquer condutor em qualquer freqüência apresentam capacitâncias,

indutâncias e resistências embutidas em sua arquitetura, sendo o parâmetro mais trabalhoso a

indutância, pois ela depende de vários fatores presentes nos caminhos do circuito fechado.

Ii

HijijL ψ=

Equação 10

30

Onde ψ é o fluxo magnético e I é a corrente no circuito fechado.

Lembrando que ao usar fio tem-se que levar em conta diversos aspectos, tais como

geometria do circuito em que ele ficará exposto, forma e dimensão do próprio fio.

Basicamente as indutâncias em PCB são divididas em dois tipos:

Indutância parcial: é a indutância de uma trilha ou fio de uma placa.

t

ILV

∂

∂⋅= 11

Equação 11

Indutância Mútua: indutância entre um segmento e outro de um fio ou trilha de PCB.

tt

IMILV

∂∂

∂+∂= 212111

Equação 12

tt

ILIMV

∂∂

∂+∂= 21122 2

Equação 13

A figura a seguir mostra a relação entre um plano imagem e a indutância parcial de uma

placa.

31

Figura 19. Plano Imagem e sua Indutância parcial.

3.1.4.1.2. Implementação e conceito de um Plano Imagem

Para conseguir diminuir as tensões ruidosas no terra, aplica-se o conceito e os cálculos de

indutância mutua entre o traço e o plano mais próximo que este sinal se encontra.

Logo:

tt

IMILV gsggnd

∂∂

∂−∂⋅= 12

Equação 14

Um plano imagem ajuda e muito a redução de correntes de modo comum e diferenciais em

circuitos, estes planos fazem com que os terras fiquem o mais próximo possível das linhas de sinais.

Outro aspecto importante que não pode-se esquecer é ligar todo o plano RF em uma fonte de

referência, pois esta fonte estará ligada em todos os pinos de referência dos componentes, e é

somente assim, quando há a conexão entre o retorno RF e os pinos de alimentação e terra, que

realmente um plano imagem existe.

32

3.1.4.2. Conceitos e Regras para distâncias máximas das conexões de Terra

Para evitar problemas como degradação do sinal, operação imprópria ou interferência

eletromagnética ocasionadas pelas correntes RF presentes nos planos de alimentação e terra que

tendem a acoplar nos cabos, fios, periféricos, entre outros, usa-se terra multiponto, como os usados

em computadores, devido sua alta densidade de componentes eletrônicos e chaveamento originados

por fontes chaveadas.

Este aterramento multiponto é feito usando o terra do chassis e provê um terceiro fio usado

para fazer a conexão com uma fonte de alimentação alternada. Devido estas conexões, os loops de

terra RF serão bem atenuados, pois haverá vários pontos de terra sobre a placa aumentando com

isso sua eficiência.

Uma regra muito usada para determinar a distância máxima entre estes pontos é a regra do

λ/20, onde as conexões não podem ultrapassar λ/20 da maior freqüência presente na placa, pois esta

freqüência, em particular, apresenta um forte potencial de radiação.

Figura 20. Regra λ/20

Por exemplo, para um oscilador de 64 MHz tem-se que as distâncias entre as conexões não

podem exceder 23,4 cm, para através disto, evitar loops de terra devido as correntes RF.

33

Exemplo contendo uma boa distribuição de terra seguindo esta regra.

Figura 21.Distribuição adequada de terra

3.1.4.3. Utilização de Vias em PCB

Ao utilizar vias na placa tem-se que tomar cuidado para que não haja criação de pontos de

radiação e problemas de integridade, principalmente quando se trabalha com sinais de alta

freqüência e clock.

Estes problemas que poderão surgir deve-se ao fato da criação de caminhos adjacentes as

vias para fazer o retorno das correntes RF a fonte. Para conseguir minimizar este fator muitas vezes

problemático deve-se:

• Fazer o roteamento das trilhas de sinais de clock e alta freqüência em apenas um layer.

• Verificar a existência de caminhos de retorno destas correntes RF adjacentes ao sinal

roteado, sem qualquer tipo de descontinuidade gerado pelo uso de vias ou por trocas de

camadas.

Normalmente não são possíveis seguir todas estas regras, porém tem-se que tentar usá-las

sempre que possível. Outro fator que deve ser salientado é que estes tipos de sinais devem ser

roteados primeiro, para facilitar o uso das regras, e manualmente, com menores trilhas possíveis, e

caso não seja possível fazer este roteamento em apenas uma camada, fazer a mudança de planos

(via) o mais próximo possível de pinos de aterramento de componentes.

34

Exemplo de roteamento de sinal de clock com mudança de camada.

Figura 22. Exemplo de roteamento com mudança de camada.

Sinais entre componentes roteados usando vias, com traços adjacentes aos planos de terra e

alimentação.

Figura 23. Uso de vias em roteamento.

3.1.4.4. Particionamento

Projetos que trabalham com CI possuindo IOs apresentam duas principais preocupações:

subsistemas funcionais e áreas de silêncio.

Subsistemas funcionais são blocos onde se fazem presentes microcontroladores,

processadores, memórias, etc. Devem ser roteados e posicionados separadamente, para evitar

35

problemas com EMI causadas por chaveamento e trocas abruptas de níveis lógicos nas portas IOs,

então faz-se necessário seu particionamento.

Áreas silenciosas devem ser isoladas fisicamente das partes digitais, analógicas e dos planos

VCC e terra do projeto.

Para estabelecer facilmente uma área silenciosa usa-se, também, o particionamento.Este

particionamento poderá deixá-la:

• 100% isolada com a ajuda de transformadores de isolamento;

• Filtros de linhas;

• Utilizando um indutor de modo comum do tipo choke de alta impedância;

• Protegida por um anel de ferrite.

Exemplo de particionamento.

Figura 24. Particionamento em placa.

36

3.1.4.5. Preocupações com Placas única face e dupla face

Para placas simples onde visa o baixo custo, placas única face e dupla face são as mais

usadas.

Existe, basicamente, uma regra a ser seguida para placas única face visando a não radiação

de potência, esta regra é rotear paralelo as linhas de terra e linhas de alta freqüência.

Figura 25. Roteamento de Placas Face Única.

Já para placas dupla face o projeto tem outras considerações a ser verificadas, sendo os três

fatores primordiais a serem avaliados descritos a seguir:

• Componentes posicionados simetricamente;

• Componentes posicionados assimetricamente;

• Desacoplamento e desvio.

O sistema de desvio e desacoplamento implementados nos circuitos serve para bloquear a

passagem de ruídos, transferência de energia de um componente para o outro e, adicionalmente,

melhorar a qualidade da distribuição de potência no sistema.

37

As três áreas de grande preocupação relacionadas ao desacoplamento são: fonte de

alimentação e terra, componentes e conexões internas de alimentação.

Para este fim, o componente mais utilizado é o capacitor, pois ele apresenta três principais

funções em PCB:

• Desacoplamento: Fazendo a remoção e atenuação de ruídos e correntes RF injetados

no sistema de alimentação provenientes de componentes que trabalham com alta

freqüência;

• Desvio: fazendo o desvio de energias RF em modo comum dos componentes e

cabos;

• Bulk: usado para manter tanto a tensão quanto a corrente CC constante quando há o

chaveamento simultâneo em pinos de sinais dos CIs.

Resposta ideal e real para um capacitor de placas paralelas.

2

2

2

12||

−+=

fC

fLRZ s

π

π

Equação 15

Na freqüência de ressonância tem-se a mínima impedância.

LC

f

π2

10 =

Equação 16

38

Resposta em freqüência (teórica) para um capacitor.

Figura 26. Resposta em freqüência de um Capacitor.

Capacitores SMD por não apresentarem terminais como os axiais possuem uma freqüência

de auto ressonância muito maior, e uma indutância em seus terminais muito menor.

Para que haja um excelente desacoplamento capacitivo, os capacitores devem ser bem

distribuídos na placa. Em alguns casos para melhorar a supressão RF coloca-se dois capacitores em

paralelo, aumentando assim a sua banda espectral. Geralmente estes capacitores para um bom

desempenho devem deferir de valores por duas ordens de grandeza (0,1 e 0,001 µF).

A seguir há uma figura demonstrando a resposta em freqüência de dois capacitores em

paralelo.

39

Figura 27. Resposta em freqüência de capacitores em paralelos.

3.1.4.6. Benefícios de planos de terra e alimentação relacionados ao desacoplamento

Ao se fazer placas com várias camadas usualmente há um plano terra e um plano de

alimentação, ou seja, um grande capacitor, pois entre estes dois planos adjacentes, existe uma

camada dielétrica (sendo o material FR4 o mais usado para este fim) simulando o princípio de um

capacitor.

Este capacitor criado se torna um excelente capacitor de desacoplamento para projetos de

baixa velocidade.

3.1.5. Linhas de Transmissão em PCB

As trilhas de placas onde se trafegam sinais de alta freqüência se tornam linhas de

transmissão. Quando alta velocidade viaja através destas linhas, não apenas um sinal elétrico se

propaga por elas, mas também uma onda eletromagnética.

A impedância característica de uma linha de transmissão, sem perdas, pode ser representado

da seguinte forma:

40

Co

LoZo =

Equação 17

)(

)(

xI

xVZo =

Equação 18

Onde: L é a indutância por unidade de comprimento e C a capacitância por unidade de

comprimento.

A razão entre a tensão da linha (Vx) e a corrente da linha (Ix) será sempre constante em

relação a distancia x, porém esta afirmação só será válida para linhas com terminações casadas.

A figura abaixo, representa uma forma simplificada de uma linha de transmissão em uma

placa de circuito impresso. A simplificação foi feita retirando a constante R (resistência).

Figura 28. Linha de transmissão simplificada.

3.1.5.1. Conceitos básicos de linhas de transmissão

Distorções nos sinais transmitidos são causados por reflexões devido a falta do casamento

de impedância. Vários outros problemas podem ocorrer nas linhas de transmissão por conta de

descontinuidade na impedância de uma trilha ou mudança na geometria da mesma.

A fórmula abaixo fornece o cálculo do valor da amplitude de uma onda refletida no final da

linha de transmissão.

41

ViZoRt

ZoRtViVr ρ=

+

−=

Equação 19

Analisando a fórmula acima, conclui-se, que quanto maior o descasamento de impedância

maior será a tensão refletida.

Quando o comprimento da trilha for pequena em relação ao comprimento do sinal

transmitido, o circuito pode ser considerado como um circuito de elementos concentrados com

componentes capacitivos e indutivos, mas com o aumento da freqüência, o circuito passa a ser

tratado como linhas de transmissão distribuídas, passando a fazer-se necessário considerações como

impedância controlada, terminações casadas e efeitos de irradiações de um modo mais crítico.

3.1.5.2. Definição e Efeitos das linhas de transmissão

Um outro jeito para se definir uma linha de transmissão é analisando o tamanho da trilha em

relação a regra do λ/20, e verificar se o tempo de propagação de um determinado sinal é maior que

o tempo de subida (tr) dividido por 4 (tr/4). Logo se uma ou ambas as regras forem violadas, as

trilhas deste PCB serão potencialmente consideradas linhas de transmissão.

Considerando a velocidade de propagação de um sinal (Vp) sendo 60% da velocidade da

luz, e o tempo de subida igual a 1 ns, temos que o casamento de impedância só de dará com trilhas

roteadas iguais ou superiores a 9 cm de comprimento, como demonstrado abaixo:

OBS: Propagação em uma direção

Vpt

lr

⋅

=

2

Equação 20

Com isso, temos:

ml 09,0108,12

101 89

=⋅⋅

⋅=

−

42

3.1.5.3. Criação de linhas de transmissão em um PCB multilayer

Ao rotear trilhas paras sinais de alta velocidade tem-se que deixar sua impedância bem

controlada, caso contrário o sinal sofrerá algumas perturbações, tais como reflexão.

Hoje em dia existem softwares de fácil manipulação que ajudam o engenheiro layoutista a

calcular as distâncias máximas e mínimas, altura da superfície de cobre na trilha, entre outras

coisas, para obter tal controle. Para facilitar esta análise de impedância o fabricante pode e deve ser

contatado, ele fornecerá o valor real da constante dielétrica do material e como deverá ser a

terminação das trilhas para um melhor casamento de impedância.

Figura 29. Representação de trilha em placa

3.1.5.4. Topologias utilizadas para Roteamento

Há várias técnicas para se rotear linhas de transmissão em PCB, sendo as duas básicas –

stripline e microstrip.

Como já foi dito vários softwares ajudam neste cálculo, muitos destes softwares já vem

acoplados ao programa utilizado para o desenvolvimento de placas.

3.1.5.4.1. Stripline

Stripline é um condutor envolto por dielétrico e está entre pares de planos de alimentação.

Sua estrutura é muito parecida com cabos coaxiais.

43

Figura 30. Trilha stripline

Na prática, esta configuração é geralmente feita pelo entalhamento de um substrato no

circuito que tenha um plano de terra ao seu lado oposto, após, adiciona-se um segundo substrato (o

qual é metalizado em apenas uma superfície) em cima para criar o segundo plano.

O stripline é um meio de linha de transmissão TEM (transverse electromagnetic), como o

cabo coaxial. Isto significa que idealmente ele não apresenta dispersão e freqüência de corte. Os

filtros e acopladores usados para linhas stripline apresentam uma largura de banda muito maior que

os usados para linhas microstrip, por isso sempre que possível aconselha-se usar uma linha stripline

ao invés de uma microstrip, só não será possível este uso, devido algumas limitações impostas pelo

fabricante do componente.

Uma das vantagens presente nesta configuração é a sua fantástica isolação quando há trilhas

adjacentes traçadas ao redor, e para melhorar ainda mais esta isolação, aconselha-se a criar uma

“cerca” de vias ao redor de cada linha de transmissão com espaçamento de no máximo ¼ do

comprimento de onda que navegará neste caminho.

Striplines apresentam duas desvantagens: a primeira delas é o custo de sua criação em

relação ao microstrip, devido ao agregamento de elementos e componentes ativos que deverão ser

colocados entre os planos de terra.

Já a segunda desvantagem é em relação ao segundo plano de terra, fazendo com que a

largura da trilha seja muito estreita para conseguir o casamento de impedância (geralmente de 50

ohms).

44

Figura 31. Stripline

Figura 32. Stripline diferencial

Impedância característica e capacitância intrínseca de linhas Stripline são:

Ω

+

=

TH

BZo

8,0

9,1ln

60

π

Equação 21

+

=

TW

H

polegadapFrCo

8,0

81,3ln

/41,1 ε

Equação 22

Onde:

W = largura da trilha ;

T = espessura da trilha (polegadas);

H = distancia entre a trilha e o plano de referência (polegadas);

Co = capacitância intrínseca da trilha;

εr = constante dielétrica do material da placa;

Tempo de propagação:

45

pésnsrt pd /017,1 ε ′= Equação 23

./85 polnsrt pd ε ′= Equação 24

3.1.5.4.2. Microstrip

Linhas de transmissão mircrostrip consistem em linhas com largura (W), densidade (t) e um

largo plano de terra separados por um dielétrico (substrato) com grossura (H), como mostrado na

figura abaixo:

Figura 33.Microstrip

Microstrip é a linha de transmissão mais popular, especialmente para circuitos com microondas integrado e MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuit – Circuito Monolítico Integrado de Microondas).

A maior vantagem desta topologia em relação ao stripline é que todos os componentes

ativos podem ser agrupados no topo da placa. As desvantagens são que quando uma maior isolação

for requerida, assim como filtros e chaves, algumas isolações externas terão que ser consideradas.

Alguns efeitos indesejados podem ser causados quando são utilizados esse tipo de trilha, tais

como:

• Irradiação - que causa efeitos indesejados no sistema;

• Dispersão - que faz com que sinais de freqüências distintas viagem a velocidades

diferentes, agindo diretamente nas respostas dos filtros.

46

Figura 34. Microstrip 3-D

Para esta topologia, tem-se que as impedâncias características e a capacitância intrínseca das trilhas são:

Valores válidos para 05 < W < 15 mils

Ω

+

+=

TW

H

rZo

8,0

98,5ln

41,1

79

ε

Equação 25

Valores válidos para 15 < W < 25 mils

Ω

+

+=

TW

HZ

r

o8,0

98,5ln

41,1

87

ε

Equação 26

./

8,0

98,5ln

)41,1(67,0

polpF

TW

HC

r

o

+

+

=

ε

Equação 27

O tempo de propagação do sinal é calculado de acordo com a seguinte fórmula:

47

pésnst rpd /67,0475,0017,1 += ε Equação 28

./67,0475,085 polpsrt pd += ε Equação 29

Topologia microstrip e stripline diferenciais:

(a) (b)

Figura 35. Microstrip e stripline diferenciais

Fórmulas para cálculos:

Microstrip

( )Ω−= −H

Ddiff eZoZ 96,048,012

Equação 30

Stripline

( )Ω−= −B

D

odiff eZZ 9,2347,012 Equação 31

48

Microstrip

41,1

8,0

98,5ln87

+

Ω

+=

r

oTW

HZ

ε

Equação 32

Stripline

r

oTW

HZ

ε

Ω

+=

8,0

9,1ln60

Equação 33

3.1.5.4.3. Softwares usados para cálculos de impedância característica, capacitância e tempo de atraso do sinal

A seguir serão mostrados, brevemente, dois software usados para cálculos de elementos

necessários para um bom desenvolvimento de placas.

O primeiro é um software desenvolvido pela Logiccell onde pode-se calcular

simultaneamente parâmetros tanto para linhas microstrip como para stripline.

Figura 36. Software para cálculo de impedância

49

Após inicializar o programa deve-se colocar na janela de Trace and Board parameters os

parâmetros desejados como largura e grossura da trilha, espaçamento entre elas, grossura do

dielétrico usado, e a constante dielétrica relativa do material. A grossura do dielétrico e a constante

dielétrica são fatores tabelados.

A seguir tem-se uma tabela de grossuras de lâminas disponível para fabricação, de acordo

com as seguintes normas:

Reference Procedure PR-7.5-FG-200

IPC-A-600 **

IPC-6012 **

IPC-4101 **

**Standard Class II (Class III under request)

Tabela 5. Espessuras de lâminas para fabricação de placas

Fonte: Adaptado de Empresa Multek (2003)

Tabela contendo Constantes Dielétricas dos materiais usados nestas placas

50

Tabela 6. Constantes Dielétricas dos materiais

Fonte: Adaptado de A survey and tutorial of dielectric material (1999)

Logo têm-se, como exemplo, para uma trilha de largura de 12 mils (unidade equivalente a

0.025 mm), grossura de cobre igual a 0.51 oz (1 onça – equivale a 1.37 mils), espaçamente de 6

mils, grossura do dielétrico igual 12 mils e constante dielétrica equivalente a 4,5, uma:

Tabela 7. Dados de cálculos

Fatores Mircostrip Stripline Unidades

Impedância Característica 69,5 42,9 Ω

Capacitância 2,04 4,26 pF/in

Atraso (Tpd) 142,0 179,8 ps/in

Impedância Diferencial 97,7 71,1 Ω

Fonte: Adaptado do Software Logiccell

O segundo programa vem juntamente com o software Altium Designer usado para

desenvolvimento de PCBs.

51

Os cálculos são feitos separadamente para trilhas microstrip e stripline, e ele oferece apenas

o cálculo da impedância da linha ou largura da trilha para uma dada impedância. A seguir estão as

telas dos cálculos para as topologias microstrip e stripline, respectivamente.

Figura 37. Editor impedância microstrip

Figura 38. Editor de impedância stripline

52

3.1.5.5. Importância de Alinhamento dos sinais no tempo

Em placas onde há diversos sinais percorrendo os barramentos, faz-se uma crítica análise e

correção no tempo de chegada destes sinais, para deixá-los alinhados no tempo. Exemplos de

alinhamento no tempo:

• Cores do monitor de vídeo (vermelho, azul e verde): caso elas não cheguem ao

mesmo tempo no receptor a imagem formada será distorcida;

• Condutores de sinais diferencias: devem possuir o mesmo comprimento para evitar

problemas com ruídos de modo comum;

• Linhas de dados: devem ser estáveis e estar presentes em suas respectivas janelas para

quando o disparo - feito através de pulsos de clocks - não ocasione erros nos dados.

Estes alinhamentos podem ser controlados no tempo pelo comprimento de trilhas. Para que

isto ocorra, são necessários:

• - o conhecimento das velocidades dos sinais que trafegarão nas trilhas;

• - controlar o tamanho das trilhas.

Um método para fazer este ajuste é tornar a trilha mais longa com ligações de pontos em

ziguezague, do inglês “snake”. Alguns softwares dedicados para roteamento de placas fazem

automaticamente estes ajustes nos comprimentos das trilhas quando todas as regras e informações

são previamente ajustadas.

A figura abaixo apresenta uma placa em fase de roteamento com características em

ziguezague para fazer o equalizamento dos sinais no tempo, seguida de uma foto real.

53

Figura 39. Representação trilhas Snakes em software de roteamento

Figura 40. Placa com trilhas Snakes

O uso das ligações em ziguezague não causa problemas com interferência eletromagnética,

se:

• Os traços sejam sempre referenciados a um plano terra;

• Trilhas “confinadas” a camadas com topologia stripline.[

Se possível manter estas trilhas sempre em camadas internas para que não haja preocupações

com EMI.

54

Caso o sinal possua alta freqüência e esteja se propagando em linhas roteadas em segmento

ziguezague há a possibilidade da ocorrência de crosstalk, onde além de causar as preocupantes

interferências entre os sinais, causará danos na velocidade de propagação deste mesmo sinal.

3.1.5.6. Considerações importantes sobre roteamento

Um parâmetro importante em projetos são os chamados clockskew.

O clockskew é a diferença no tempo de recepção em cargas em diferentes localidade e

posições em uma rede. Se este tempo for preocupante para um projeto deve-se utilizar a topologia

microstrip, uma vez que o tempo de propagação neta configuração é menor.

m relação as emissões radiadas a escolha a ser tomada para um bom roteamento é a

topologia stripline, devido a sua alta imunidade.

Para se obter diferentes impedâncias características em trilhas em um PCB, como no caso de

famílias lógicas na mesma placa, deve-se:

• Mudar a largura do traço, porém nunca esquecer de deixá-lo sempre referenciado ao

terra;

• Mudar o espaçamento entre a camada de roteamento e o plano de referência;

• Remover parte do plano de referência abaixo da trilha de sinal, permitindo que a

referência deste sinal seja em outro plano, colocando em uso a regra anterior, deixando

sua referência com uma distância diferente.

• Mudar a espessura das camadas na placa;

• Usar materiais de diferentes espécie entre as camadas da placa.

3.1.6. CrossTalk em PCB

O acoplamento eletromagnético indesejado em fios, cabos, trilhas, componentes eletrônicos

e qualquer dispositivo sujeito a campo eletromagnético é chamado de crosstalk. Para que isto ocorra

são necessários três ou mais condutores como exemplificado abaixo:

55

Figura 41. Representação de crosstalk

Uma outra forma de se representar o corsstalk é:

Figura 42. Crosstalk

Na última figura vê-se que a impedância do terra comum (Zg) aos sinais, capacitância entre

as trilhas (Csv) a e indutância mútua (Msv) farão com que o acoplamento eletromagnético aconteça.

O crosstalk pode e deve ser evitado ao se fazer o roteamento do PCB, muitas técnicas

poderão ser realizadas para diminuir ou extinguir ao máximo este efeito, como por exemplo:

56

• Acoplamento capacitivo: deve-se evitar rotear trilhas muito próximas umas das outras,

para que não gere um efeito capacitivo entre elas (dois condutores com isolamento entre

sí), e tentar reduzir ao máximo impedâncias nos terminais do circuito vítima;

• Acomplamento indutivo: para este caso o melhor a se fazer é dispor as trilhas o mais

próximo possível do plano de referência, e guiá-las perpendicularmente as orientações

dos condutores.

Técnicas para prevenção do crosstalk:

• Agrupar componentes de mesma família e funcionalidade;

• Minimizar o máximo a distância física entre componentes;

• Minimizar o comprimento das trilhas em paralelo.

• Colocar os componentes longe de interconexões I/O e outras áreas sujeitas a distorções

dos dados e acoplamento.

• Fornecer terminações corretas para trilhas com impedância controlada.

• Evitar rotear trilhas em paralelo.

• Rotear camadas adjacentes ortogonalmente.

• Reduzir a distância de separação entre o sinal e o terra.

• Reduzir a impedância da trilha.

• Isolar camadas que devem ser roteadas no mesmo eixo por um plano sólido referenciado

a terra.

• Isolar ou particionar grandes emissores de ruído como clocks, I/O, etc.

3.1.6.1. Regra 3W

Esta regra visa um melhor acoplamento entre as trilhas do circuito, se fazendo uma regra

bem simples, porém muito eficaz

57

Ela dita que o espaçamento entre as trilhas devem ser três vezes a largura da trilha a partir

do seu centro, entretanto ela não poderá ser adotada para todas as trilhas, mas apenas para trilhas

contendo alta velocidade como clocks, pares diferenciais, vídeos, entre outros.

Para trilhas diferenciais a regra do 3W não se aplica para o sinal em si, mas sim para os

sinais ao redor delas, sendo que para trilhas diferenciais a regra da distância passa a ser de 1W.

Abaixo tem-se um exemplo da utilização da regra para pares diferenciais:

Figura 43. Regra para pares diferenciais

58

3.1.7. Aterramento

De todos os aspectos considerados críticos no desenvolvimento de um PCB o aterramento

pode ser considerado o principal, pois é ele que serve de referência para todos os sinais e fonte.

O aterramento é a fonte primária de um projeto para minimizar os ruídos não desejados e

também para particionar os segmentos do circuito. Um bom aterramentos em um PCB juntamente

com uma blindagem eficaz de cabos farão a eliminação de cerca de 70% de ruídos, radiação e

interferência eletromagnética, lembrando que esta eficácia apresenta custo de material praticamente

nulo.

3.1.7.1.1. Conceitos Fundamentais de aterramento

As duas principais áreas relacionadas a aterramento são:

• Terra de proteção – contendo proteção tanto para descargas atmosféricas como

eletromagnéticas;

• Terra para fazer a referência de sinais de tensão.

Para um terra de um circuito conectado ao Terra (potencial terra) através de um caminho

contendo baixa impedância, este terra estará projetado exclusivamente para proteção, podendo os

terras de sinais serem ou não conectados a ele.

A ligação destes dois tipos de terra em uma placa pode ser indesejada, dependendo de sua

aplicação em particular, podendo através desta ligação exacerbar problemas ligados a EMC.

Terra de proteção basicamente previne diferenças de potenciais entre pontos contendo

superfície de condução expostas. Quanto maior o número de conexões de terra distribuídos na placa

menor serão as chances de choques ao tocar as partes vivas do equipamento.

Já os terras de sinais têm como objetivo de providenciar uma referência comum ao terra para

todos os componentes do projeto.

Portanto ao se fazer a implementação de referências de tensão, números de conexões de terra

e suas respectivas localizações muito cuidado deve ser tomado.

59

Os campos mais preocupantes se tratando de aterramento são:

• Minimizar ou reduzir ao máximo os loops de corrente por meio de layout cuidadoso em

relação a componentes de alta-freqüência.

• Particionar campos do PCB, ou sistemas, para separar/espaçar circuitos de alta

velocidade de outros de baixa velocidade.

• Projetar o PCB de forma a evitar correntes de interferência através do terra comum.

• Escolher cuidadosamente os pontos de aterramento para minimizar correntes de loop.

• Conectar circuitos muitos sensíveis a referências de terra bem estáveis.

3.1.7.1.2. Terra de Proteção

O principal fator de se usar um terra de proteção em uma placa é fazer prevenção de choques

elétricos em pessoas, animais ou outros seres vivos causando possíveis danos, e em alguns casos a

morte (caso for projeto de alta potência).

Figura 44. Representação terra de proteção

Na figura acima Z1 representa a impedância estática entre o potencial do PCB no ponto V1

e o chassis. A impedância entre o chassis do equipamento e o potencial terra é representado por Z2.

O potencial do chassis poderá ser calculado utilizando a seguinte fórmula:

60

1

21

2V

ZZ

ZVchassis ⋅

+=

Equação 34

Não se pode pensar que apenas ligar um condutor no terra basta, tem-se que analisar todo o circuito

ao redor, por exemplo, para sinais RF este condutor ligado ao terra é considerado como em alta

impedância .

De modo geral, uma boa ligação contendo baixa impedância entre o chassi e o terra de

referência para sinais RF devem ser conectados em paralelo com o terra de segurança para os

dispositivos ligados a uma fonte CA principal.

Um outro motivo para fazer a conexão do terra de segurança é observar se os cabos por onde

passam a alimentação do circuito não estão emitindo qualquer tipo de potência em modo comum, e

para minimizar tal ligação, um filtro de linha será necessário.

Os filtros são compostos por capacitores que farão a ligação entre o sinal e o terra, se

comportando como um curto para RF jogando todos esses sinais para o terra.

Para certas aplicações onde se faz necessário a separação entre a referência de RF (terra de

referência de sinal) e o terra de proteção, um dispositivo chamado choke de modo comum (condutor

RF) poderá ser implementado em série com o retorno terra.

3.1.7.1.3. Terra de referência para sinais

Um terra de sinal provê um bom retorno contendo baixa impedância para que as correntes

voltem as suas fontes.

Figura 45.Terra de Sinal

61

Na figura mostrada acima, observa-se que a carga está conectada em um terra diferente da

alimentação, ocasionando com isso, a criação de uma tensão de ruído, Vn, causada pelas perdas

(resistivas, joule, etc) no caminho de retorno, apesar da preocupação tomada em relação aos terras

da placa.

3.1.7.1.4. Aterramento em 1 Ponto

Este tipo de aterramento pode ser feito em serie ou paralelo, como observado na figura

abaixo:

(a) (b)

Figura 46. Aterramento 1 ponto – a- conexão série b- conexão paralela

Para este tipo de configuração a velocidade dos componentes, circuitos e interconexões não

deve ultrapassar de 1 MHz, pois com esta velocidade o efeito da impedância distribuída será

mínima.

Para a conexão em série, o valor da corrente observada no final do caminho onde ocorre o

retorno (L1) será a soma de I1+I2+I3.

Logo:

1321 )( LIIIVa ω++= Equação 35

332321321 )()()( LILIILIIIVc ωωω +++++= Equação 36

Com impedâncias muito elevadas (causadas muitas vezes devido a alta freqüência dos sinais ao

longo da trilha) criar-se-ão diferentes pontos de terra ao longo dos pontos de terra, fazendo com que

62

surjam uma grande diferença de potencial. Então para manter a configuração de um ponto de terra

sem a criação desta diferença de potencial, deve-se usar a configuração em paralelo, pois uma parte

do circuito não influenciará a outra.

Porém, com a ligação em paralelo, as impedâncias do sistema não serão as mesmas nos

diferentes pontos de terras, como acontece nas ligações em série, com isso pode ser que aconteça a

exacerbação da voltagem de ruído de terra.

Terras com esta configuração está presente em circuitos de áudio, instrumentação analógica

de baixa velocidade, sistema de potência (60 Hz e CC) e CIs com encapsulamento de plástico.

Apesar de ser comumente usadas para fontes CC, está configuração poderá ser encontrada em

aplicações contendo alta velocidade.

3.1.7.1.5. Aterramento multiponto

Para projetos onde alta freqüência está presente, o uso de múltiplas conexões de terra ao

ponto de referência são requeridos a fim de otimizar e minimizar as impedâncias presentes no terra.

Figura 47. Aterramento multiponto

3.1.7.1.6. Evitando um caminho de impedância comum

Para que haja a redução de acoplamento através da impedância de modo comum alguns

cuidados devem ser tomados para identificar os caminhos de retorno.

Esta redução se dá devido a conexão de várias referências ao longo do sistema do circuito

para que os retornos consigam seguir caminhos separados para há única conexão de terra.

Na figura 48 abaixo, vê-se a configuração estrela com blocos funcionais separados:

63

Figura 48. Ligação estrela.

Para atingir uma maior imunidade ao ruído deve-se separar os circuitos que apresentam um

alto potencial para gerá-los do circuitos chamados de silenciosos (circuitos que geram pouco ou

nenhum ruído). Cada conexão deverá ser conectada individualmente ao 0 Volt, sendo usualmente

feita através de um fio de segurança.

O esquema para circuitos contendo baixa freqüência é mostrado abaixo seguido do esquema

para altas freqüências.

Figura 49. Plano de referência (baixa frequência)

64

Figura 50. Plano de referência (alta frequência)

3.1.7.2. Loops de Terra

As fontes primárias para ruídos em RF são chamadas de loops de terra. Estes ruídos são

gerados em grande abundância quando as distâncias entre os terras multipontos não respeitam a

regra do λ/20 e suas conexões são feita ao terra de referência principal (geralmente em CA ou no

potencial do chassis do equipamento).

Um loop de terra consiste em parte do caminho que o sinal percorre e parte da própria

estrutura do terra, ou seja um circuito fechado.

Figura 51. Loop de terra.

Então, como evitar estes loops em circuitos contendo diferença de potencial na própria

referência 0 Volt?

65

Algumas soluções seguem abaixo:

• Remover um dos terras da placa, fazendo com que o sistemas converta para um ponto;

• Isolar os dois sistemas (sinal e terra) usando as técnicas abaixo:

• Transformador;

• Choke de modo comum;

• Isolador óptico;

• Circuitos balanceados;

Figura 52. Tipos de isolação.

3.1.7.2.1. Formas para evitar Loops de Terra

Ao usar transformadores a tensão de ruído no terra estará presente apenas em seus terminais,

sendo que qualquer acoplamento que possa ocorrer será devido qualquer a capacitância parasita que

poderá se formar entre os enrolamento primário e secundário do transformador. Para eliminar este

tipo de acoplamento, faz-se a blindagem entre ambos os enrolamentos do transformador. O único

inconveniente que se possa ter ao utilizar em projetos os transformadores serão o seu tamanho físico

e custo adicional.

As corrente de modo comum são eliminadas através do indutor choke de modo comum,

deixando passar os níveis CC e atenuando as componentes CA, não causando, com isso, nenhum

dano ao sinal diferencial de interesse.

66

Outra forma de se eliminar as correntes de modo comum é com o uso de isolamento óptico.

Este tipo específico de issolamente quebra totalmente este caminho de transmissão, sendo

necessário quando existe um grande potencial de referência entre os circuitos. Normalmente estes

isolamentos são implementados em projetos de lógica digitl que podem conviver com a não

linearidade inerente aos acopladores.

Por último, tem-se o circuito balanceado, onde o sinal da fonte para a carga é feito utilizando

pares diferenciais, ou seja, iguala-se a corrente nos dois caminhos. Este balanceamento faz a

rejeição de correntes em modo comum que podem estar presentes na rede.

3.1.8. Componentes protetores contra interferência eletromagnética

Para fazer com que sistemas fiquem cada vez mais imunes as interferências e atender os

requesitos de compatibilidade eletromagnética para assegurar uma maior confiabilidade, deve-se

utilizar componentes lineares e não lineares para controlar surtos de tensão e transientes rápidos.

Os transientes além de gerar distúrbios temporários podem danificar e/ou destruir

componentes, pois estes transientes portam grande quantidade de energia, possuindo um tempo de

subida e descida muito rápido, além de apresentarem valores de tensão maiores do que as fontes de

alimentação.

Com o intuito de eleiminar estes efeitos indesejados nos circuitos são utilizados alguns

componentes, tais como filtros, ferrites, capacitores feddthrough e redes snubber.

3.1.8.1. Filtro de Linha

Os filtros têm em sua formação componentes séries de alta impedância – como os indutores

– e componentes paralelos de baixa impedância – como os capacitores- todos escolhidos em função

de uma determinada faixa de operação.

Este circuito é destinado a atenuar a interferência eletromagnética conduzida de origem

externa e interna ao equipamento.

O filtro proporcia a compatibilidade eletromagnética dos equipamentos, do ponto de vista da

interferência conduzida, isto é, o equipamento não interferirá nos equipamentos vizinhos e também

sofrerá interferência destes.

67

O filtro deve ser escolhido com muito critério, pois um filtro que seja eficaz para um

sistema, pode não ser para outro, pois as perturbações e interferências mudam de sistemas para

sistemas.

A seguir tem-se uma demostração interna de um tipo de filtro, figura 53.

Figura 53. Filtro de linha internamente Parâmetros para utilização:

• Tensão nominal – é a tensão na rede na qual o filtro de linha pode ser utilizado.

• Corrente nominal – é o maior valor de corrente eficaz que pode ser conduzido pelo

filtro, sendo que esta deve diminuir a medida que a temperatura ambiente ultrapassar

40°C; como visto na figura 54.

Figura 54. Corrente versus Temperatura

68

• Curva de atenuação versus frequência – é a atenuação da interferência que o filtro

proporciona, definida pelo tipo de circuito interno do filtro de linha, como visto nas

figuras 55 a 57.

- Filtro para ruído de modo diferencial (simétrico)

Figura 55. Filtro modo diferencial

- Filtro para ruído de modo comum (assimétrico)

Figura 56. Filtro modo comum

69

- Filtro de linha para modo comum e diferencial.

Figura 57. Filtro unificado (diferencial e comum)

Para melhor desempenho a blindagem do filtro de linha deve ser firmemente ligada à

blindagem do equipamento para não haver acoplamento externo ao circuito do filtro.

• Corrente de fulga – é o maior valor de corrente entre o terra e a linha de alimentação ou

entre o terra e o neutro, sempre com o terra desconectado do circuito externo.

• Resistência de isolação – é a resistência medida entre o terra e uma linha de

alimentação, sempre com o terra desconectado do circuito externo, e deve estar na faixa

de gigaohms.

• Atenuação por inserção do filtro – é a atenuação (queda de tensão no filtro) provocada

pela colocação do filtro no circuito.

• Temperatura de trabalho – é a faixa de temperatura na qual o filtro deve opera.

• Tipo de terminação elétrica – é o tipo de terminal com que o filtro foi construído

podendo ser: para circuito impresso, fios, terminais tipo faston, em parafuso, associado à

tomada elétrica, etc.

• Localização – o filtro de linha deve ser colocado o mais próximo da entrada de energia,

idealmente ele deve ser o primeiro componente encontrado pelo cabo de alimentação,

quando passar pela estrutura do equipamento. Também deve ser mantida uma separação

entre a entrada e a saída do filtro para não haver contaminação da saída já filtrada, como

na figura 58.

70

Figura 58. Localização de filtros em sistemas

• Tipo de fonte de alimentação – pois caso for uma fonte chaveada o circuito vai

requerer uma filtragem eficaz em baixas frequências – frequência de chaveamento – 20 a

100 kHz.

3.1.8.2. Ferrites

O ferrite uma ação de atenuar semelhante ao indutor choke para altas frequências. Quando

há casos extremos de interferência – transientes de alta velocidade, ESD – a colocação de um ferrite

em cabos faz com que se crie uma indutância e resistência em série com o cabo.

3.1.8.2.1. Ferrite bead (conta)

Este tipo específico de ferrite apresenta uma impedância típica da ordem de 40 Ω a 150 Ω,

dependendo de seus diâmetros externos. Esta impedância é caracterizada na frequência de

71

100 MHz, como mostrado na figura 59. Estes ferrites são eficazes para atenuar frequência a partir

de 1 MHz, sem causa qualquer tipo de perda de potência para frequências inferiores a esta.

Figura 59. Ferrite bead

Devido a sua eficácia para atenuar ruídos, sua implementação deve ser mantida o mais

próximo possível da fonte de ruído, como demonstrado na figura 60.

Figura 60. Utilização do ferrite

Durante o chaveamento o diodo rápido de retificação (operando com tempos normalmente

de 35 ns) induz grandes transientes em circuitos indutivos, gerando spikes.

72

Como geralmente os filtros são projetados para atuar abaixo da frequência de 30 MHz,

qualquer ruído gerado superior a esta frequência será transmitido pelos condutores, passando pelos

filtros sem nenhum tipo de problema.

Para evitar que isto aconteça, coloca-se o ferrite bead ao redor das linhas de neutro e fase

entre o filtro de linha e as entradas da fonte.

Para reduzir os spikes provocados pelo chaveamento rápido de diodos, coloca-se um ferrite

bead em seus terminais, como mostrado na figura 61.

Figura 61. Ferrite em diodos

Esta redução se dá, pois durante a transação do estado de corte (OFF) para o de condução

(ON), o bead apresentará alta indutância, fazendo com que a taxa de subida da corrente que passa

pelo diodo diminua, e a medida que a corrente vai aumentando, dá-se o início da saturação do

ferrite, uma vez em estado de saturação, o ferrite passa a não existir eletricamente.

3.1.8.3. Capacitor feedthrough

O capacitor feedthrough é um tipo de capacitor cerâmico, classe I e II, de passagem para uso

em aplicações de filtragem – onde a montagem no chassis seja necessário e o espaço seja mínimo,

atuando com um filtro RC. Como vista na figura 62 abaixo.

73

Figura 62. Filtro RC

No tipo LC este componente combina um capacitor cerâmico com um indutor de ferrite.

Utilizado em filtros passa baixa, linhas de sinais CC e linhas de sinais.

O efeito pode ser visto na figura 63.

Figura 63. Capacitor feddthrough

3.1.8.4. Snubber Networks

São circuitos RC – Snubber Networks, os mais comuns. São constituídos pela conexão série

de um resistor R e um capacitor C ao quais são utilizados para controlar a tensão de transiente sobre

componentes que estejam em circuitos indutivos. Sendo montado em paralelo ao componente que

se deseja proteger, formando um circuito RLC série com a indutância da carga, como na figra 64.

74

Figura 64. Rede Snubber

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através deste estudo nota-se a importância da utilização de regras e macetes para que a

placa de circuito impresso desempenhe um bom funcionamento.

O estudo de qualquer fonte causadora de interferência eletromagnética em placas, seja ela

induzida, radiada ou conduzida, é muito importante para garantir ao cliente um grau mínimo de

integridade a qual a placa poderá trabalhar, sem apresentar qualquer anomalia em seu

funcionamento.

Observou-se que estes efeitos podem ser controlados desde o início do projeto, partindo da

criação do plano imagem, plano de referência de sinal e terra, cálculos das impedâncias das trilhas

para um melhor casamento com o componente “vítima”, definição, cálculo e aplicação das regras

como a regra do λ/20, muito importante para fazer a concentração do campo radiado causado por

linhas de alta freqüências, e a regra do 3W, utilizada para definir a distância exata entre uma trilha e

outra para evitar problemas com o crosstalk.

BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS

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[15] Handbook of Survey and Tutorial of Dielectric Material used in the Manufacture of Printed Circuit Boards.

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