Cómo solucionar problemas de EMI, EMC e integridad de señal en el diseño de PCB de alta frecuencia

Diseñar PCB de alta frecuencia es todo un reto, y las interferencias electromagnéticas (EMI) y los problemas de integridad de señal (SI) están entre los obstáculos más críticos. Pueden degradar el rendimiento del circuito, afectar a su fiabilidad y hacer que no supere los ensayos de conformidad. Para evitarlos, hace falta planificar y ejecutar con cuidado todo el proceso de diseño. Aquí tienes algunas estrategias para superar estos retos.

En redes con señales que van en varias direcciones, la topología influye de forma distinta según sean señales unidireccionales o bidireccionales y según su tipo de nivel. Es difícil saber de antemano qué topología da la mejor calidad de señal. Hay que hacer simulaciones previas, y elegir la topología adecuada exige conocer a fondo el funcionamiento del circuito, los tipos de señal e incluso la dificultad del ruteado. Si quieres saber más sobre las PCB, consulta nuestra guía definitiva sobre la fabricación de PCB.

Consejos para optimizar el layout de la PCB para la integridad de señal

El layout es un factor clave para garantizar la integridad de señal. En los diseños de alta frecuencia, presta atención a:

• Longitud de las pistas: haz las pistas de señal lo más cortas posible para reducir al mínimo el retardo de propagación y las reflexiones.
• Control de impedancia: adapta la impedancia de la pista a la de la fuente y la carga usando pistas de impedancia controlada, sobre todo en las señales de alta velocidad.
• Colocación de vías: usa las menos vías posibles en los caminos de las señales de alta velocidad, porque pueden provocar discontinuidades de impedancia y reflexiones.
• Ruteado de pares diferenciales: usa pares diferenciales con acoplamiento estrecho para las señales de alta velocidad, así reduces la diafonía y mantienes la integridad de señal.

¿Cómo se adapta la impedancia en el layout de una PCB de alta frecuencia?

La adaptación de impedancia es uno de los factores críticos en el diseño de PCB de alta velocidad. La impedancia depende directamente de cómo se rutean las pistas: si la pista está en una capa exterior (microstrip) o interior (stripline o doble stripline), su distancia al plano de referencia (de alimentación o de masa), su ancho y el material de la PCB influyen en su impedancia característica. Por eso, la impedancia solo se puede confirmar del todo después del ruteado.

La mayoría de los programas de simulación no pueden tener en cuenta las discontinuidades de impedancia del ruteado por las limitaciones de sus modelos de circuito o de los algoritmos matemáticos que usan. En esos casos, en el esquema solo se pueden prever algunas terminaciones, como resistencias en serie, para atenuar el efecto de las discontinuidades. La solución de fondo es evitar en lo posible las discontinuidades de impedancia al rutear.

Consejos para diseñar PCB de alta velocidad (>100 MHz) y alta densidad

Al diseñar PCB de alta velocidad y alta densidad, tienes que prestar especial atención a la diafonía, porque afecta mucho a la temporización y a la integridad de señal. Ten en cuenta estos puntos:  

Separación: presta atención a la separación entre pistas. Una práctica habitual es dejar una separación de al menos el doble del ancho de la pista. Puedes usar la simulación para ver cómo influye la separación en la temporización y la integridad de señal, y para encontrar la separación mínima aceptable. Los resultados pueden variar según las señales de cada chip.  

Diafonía: evita que en capas contiguas las pistas vayan en la misma dirección y, sobre todo, que se superpongan exactamente, porque así se produce más diafonía que entre pistas vecinas de la misma capa. La diafonía se produce cuando las señales de pistas cercanas interfieren entre sí. Para reducirla puedes:

• Aumentar la separación entre pistas: separa más las pistas de alta velocidad contiguas para reducir el acoplamiento capacitivo e inductivo.
• Apantallar: añade pistas de guarda conectadas a masa entre las pistas de señal sensibles para aislarlas.

Vías: usa vías ciegas y enterradas para ganar espacio de ruteado, aunque eso encarece la fabricación de la PCB. Conseguir pistas totalmente paralelas y de la misma longitud es difícil en la práctica, pero conviene acercarse lo máximo posible.  

Además, plantéate dejar previstas terminaciones diferenciales y de modo común para reducir el impacto en la temporización y la integridad de señal.

Elección de filtros en alta frecuencia

Para elegir los valores de inductancia y capacidad de un filtro LC hay que buscar el equilibrio entre la supresión del ruido y el rendimiento. La inductancia tiene que adaptarse a la frecuencia del ruido y permitir las corrientes transitorias sin un rizado excesivo, mientras que la capacidad depende de los requisitos de rizado, y la ESR y la ESL influyen en el rendimiento.

Filtros LC frente a filtros RC: con ruido de baja frecuencia, un filtro LC puede rendir peor si la inductancia es insuficiente, y entonces un filtro RC puede ser más eficaz, aunque la resistencia disipe energía. En las fuentes de alimentación conmutadas, la ubicación del filtro LC afecta a la estabilidad por los polos y ceros que introduce en el lazo de realimentación. En los filtros RC también hay que tener en cuenta la potencia que disipa la resistencia. Los componentes pueden ser SMT o de orificio pasante; consulta el blog para más información sobre el montaje.

¿Cómo gestionar los planos de masa y de alimentación en PCB de alta frecuencia?

Un buen sistema de distribución de masa y alimentación es fundamental:

• Planos de masa dedicados: usa planos de masa continuos y sin cortes como camino de retorno y para reducir las EMI.
• Planos de alimentación con condensadores de desacoplo: coloca los condensadores de desacoplo en puntos estratégicos, cerca de los CI, para estabilizar las fluctuaciones de la alimentación y suprimir el ruido.
• Diseño del apilado de capas: usa un apilado multicapa con una disposición de capas adecuada. Las señales de alta frecuencia deberían ir por capas interiores, entre planos de masa, para reducir las EMI.

¿Qué tipos de terminación hay?  

En los circuitos digitales, la temporización es lo más crítico. La terminación sirve para mejorar la calidad de la señal y conseguir que tenga un valor bien definido en el momento en que se lee. La terminación, también llamada adaptación, se clasifica según su ubicación en terminación en origen y terminación en destino.

• En las señales sensibles al nivel, asegúrate de que la señal es estable y cumple los requisitos de tiempo de establecimiento (setup) y de mantenimiento (hold).
• En las señales sensibles al flanco, asegúrate de que el flanco es monótono y de que su velocidad cumple los requisitos.  

Normalmente se consigue con una adaptación por resistencia en paralelo, que incluye las resistencias pull-up y pull-down, la adaptación Thévenin, la adaptación en alterna (AC) y la adaptación con diodo Schottky.

¿Qué son las EMI en el diseño de PCB?

En el diseño de PCB, las EMI (interferencias electromagnéticas) son señales electromagnéticas no deseadas que pueden alterar el funcionamiento de un circuito. Por ejemplo, en una PCB digital de alta velocidad, unas pistas de alta frecuencia mal ruteadas pueden radiar interferencias que afecten a los componentes analógicos sensibles cercanos. Para reducir las EMI, se suelen usar técnicas como una buena conexión a masa, la adaptación de impedancia para mantener la integridad de señal y el apantallamiento. Por ejemplo, colocar los componentes de alta frecuencia lejos de los circuitos analógicos y usar planos de masa puede reducir mucho las EMI y mejorar la fiabilidad y el funcionamiento de la PCB.

¿Qué es la CEM en el diseño de PCB?

En el diseño de PCB, la CEM (compatibilidad electromagnética, o EMC en inglés) consiste en garantizar que un dispositivo funcione como debe sin provocar interferencias electromagnéticas ni verse afectado por ellas. Por ejemplo, en una PCB de alta frecuencia, un mal layout o un apantallamiento insuficiente pueden provocar EMI que distorsionen las señales de los circuitos cercanos. Para evitarlo, puedes añadir planos de masa que hagan de pantalla, optimizar el ruteado de las señales para reducir la diafonía y colocar condensadores de desacoplo cerca de los pines de alimentación para estabilizar la tensión. Un buen diseño de CEM reduce al mínimo las interferencias y garantiza el cumplimiento de las normas del sector y un funcionamiento fiable del sistema.

¿Qué reglas debes seguir para cuidar la CEM y las EMI en el diseño de PCB de alta velocidad?  

Un buen diseño en cuanto a EMI y CEM tiene que tener en cuenta, desde la fase de layout, la colocación de los componentes, el apilado de capas, el ruteado de las conexiones críticas y la elección de los componentes. Sin una buena planificación, resolver estos problemas más adelante sería mucho más caro y llevaría mucho más tiempo. Cumplir la normativa de EMI y CEM, como las normas de la FCC o el marcado CE, es clave para el éxito del producto. Estas normas incluyen pautas sobre el diseño y los ensayos de las PCB para garantizar la compatibilidad electromagnética.

• Coloca el generador de reloj lejos de los conectores externos.
• Rutea las señales de alta velocidad por capas interiores, con la impedancia adaptada y un plano de referencia continuo para reducir las reflexiones.
• Usa componentes con flancos más lentos para reducir el ruido de alta frecuencia.
• Elige condensadores de desacoplo o de bypass con una respuesta en frecuencia adecuada para reducir el ruido del plano de alimentación.
• Reduce al mínimo el área de los lazos y optimiza el camino de retorno de las señales de alta frecuencia para reducir la radiación.
• Usa planos de masa divididos para confinar el ruido de alta frecuencia.
• Elige con cuidado los puntos de conexión a masa entre la PCB y el chasis para mejorar el comportamiento en CEM.
• Usa esquinas a 45° o curvas en lugar de ángulos rectos de 90° para reducir las reflexiones y los cambios de impedancia.
• Usa resistencias de terminación para reducir las reflexiones y el ruido.

¿Cómo cumplir los requisitos de CEM sin disparar los costes?  

El aumento de coste de una PCB por los requisitos de CEM suele venir de añadir capas de plano de masa para mejorar el apantallamiento y de incluir ferritas, choques y otros componentes para suprimir los armónicos de alta frecuencia. Además, normalmente hacen falta estructuras de apantallamiento adicionales para que todo el sistema cumpla los requisitos de CEM.

Uso de ferritas en PCB de alta frecuencia

Una ferrita (ferrite bead) es un componente pasivo que se usa en las PCB para suprimir el ruido de alta frecuencia de los circuitos electrónicos. Actúa como un filtro paso bajo: deja pasar la continua y las señales de baja frecuencia, y atenúa el ruido de alta frecuencia. Estos son sus usos principales:

1. Supresión del ruido

• Bloquea la propagación del ruido de alta frecuencia por las líneas de alimentación o de señal.
• Se usa habitualmente para eliminar las EMI de los circuitos.

2. Cumplimiento de las normas de CEM

• Evita que el ruido que generan los circuitos interfiera en otros equipos.
• Ayuda a cumplir la normativa sobre emisiones electromagnéticas.

¿Qué es el «camino de retorno de la señal»?

El camino de retorno de la señal, también llamado corriente de retorno, es el camino por el que la corriente vuelve al driver. En la transmisión de señales digitales de alta velocidad, la señal va desde el driver hasta la carga por la línea de transmisión de la PCB y vuelve desde la carga hasta el driver por el camino más corto, a través del plano de masa o de alimentación. Ese retorno es lo que se conoce como camino de retorno de la señal.

El Dr. Johnson explica en su libro que transmitir una señal de alta frecuencia consiste, en esencia, en ir cargando la capacidad del dieléctrico que hay entre la línea de transmisión y el plano de referencia. El análisis de integridad de señal (SI) estudia las propiedades electromagnéticas de ese campo y su acoplamiento.

Software EDA adecuado para PCB de procesado de señales de alta velocidad

Antes de cerrar el diseño, usa herramientas de simulación para analizar las EMI y la integridad de señal. Herramientas como HyperLynx o Ansys HFSS permiten prever problemas y proponen mejoras en el ruteado, la adaptación de impedancia y la reducción del ruido.

También te recomendamos EasyEDA Professional Edition (EasyEDA Pro), que combina facilidad de uso y funciones potentes, y es especialmente adecuado para diseños de PCB complejos. Estas son sus ventajas:

1. Mejor rendimiento: basado en el motor WebGL, admite diseños de PCB con decenas de miles de pads y funciona con fluidez incluso en proyectos complejos con muchos componentes.

2. Mejor gestión de reglas: ofrece funciones más completas de restricciones de reglas y autorruteado, lo que mejora mucho la eficiencia del ruteado.

3. Diseño de varias placas: permite tener varios diseños de placa dentro de un mismo proyecto, ideal para proyectos complejos.

4. Mejor gestión de componentes: integra símbolos, encapsulados, modelos 3D, etc., mediante el «concepto de componente», lo que facilita elegir los componentes y reduce los saltos entre la biblioteca y la interfaz de diseño.

5. Exportación y compatibilidad eficientes: ofrece funciones potentes de importación y exportación DXF y una mejor salida en PDF, y cubre las distintas necesidades de entrega del diseño.

Conclusión

Los retos de EMI e integridad de señal en el diseño de PCB de alta frecuencia exigen un enfoque global que incluya un layout cuidadoso, un buen diseño del apilado de capas y el uso de herramientas de simulación avanzadas. Si sigues estas buenas prácticas, podrás mejorar el rendimiento, reducir el ruido y cumplir la normativa, y conseguirás diseños de PCB de alta frecuencia fiables y eficientes.

Preguntas frecuentes

1. Si un circuito está formado por varias PCB, ¿deben compartir la misma masa?

Si un circuito está formado por varias PCB, normalmente tienen que compartir la misma masa. Usar varias fuentes de alimentación dentro de un mismo circuito no suele ser práctico. Aun así, si las condiciones lo permiten, usar fuentes de alimentación separadas puede reducir las interferencias.

2. ¿Cómo hay que hacer el layout y el ruteado para que las señales de más de 50 MHz sean estables?

El ruteado de las señales digitales de alta velocidad se centra en reducir el efecto de las líneas de transmisión sobre la calidad de la señal. En las señales de más de 100 MHz, el ruteado tiene que ser lo más corto posible.

En los circuitos digitales, lo que define que una señal es de alta velocidad es su tiempo de subida. Además, cada tipo de señal (como TTL, GTL o LVTTL) necesita métodos distintos para garantizar su calidad.

3. ¿Qué es una ESD?

Una ESD (descarga electrostática) es el paso brusco de corriente entre dos objetos por la acumulación de electricidad estática. Puede dañar los componentes sensibles.

4. Para reducir las interferencias, ¿la masa de la PCB debe formar un lazo cerrado?

Al diseñar una PCB, normalmente hay que reducir al mínimo el área de los lazos para reducir las interferencias. La pista de masa no debe formar un lazo cerrado: es preferible una estructura en árbol. Además, la superficie de masa debe ser lo más grande posible.

5. ¿Qué significan exactamente FCC y CEM en materia de normativa?

FCC: Comisión Federal de Comunicaciones (el organismo regulador de las comunicaciones de EE. UU.).

CEM (EMC): compatibilidad electromagnética.

La FCC es un organismo que establece normas, mientras que la CEM es el ámbito técnico que regulan esas normas. Cada norma tiene su propio objetivo, los motivos por los que se creó y sus métodos de ensayo.

6. ¿Qué criterios hay que seguir para usar terminaciones (adaptación)?  

En los circuitos digitales, la temporización es lo más crítico. La terminación sirve para mejorar la calidad de la señal y conseguir que tenga un valor bien definido en el momento en que se lee.