Uso de blindaje EMI para reducir las emisiones radiadas en diseños electrónicos

El ruido electrónico está por todas partes. Como diseñador, debes tener a mano todas las herramientas posibles para proteger tu equipo. Este artículo trata sobre blindajes EMI, herramientas que pueden usarse ampliamente para mejorar el comportamiento electromagnético de su dispositivo y protegerlo de interferencias externas.

Según las ecuaciones de Maxwell, cada vez que circula una corriente eléctrica por un conductor se genera un campo magnético. Además, cada vez que existe un campo magnético, también existe un campo eléctrico. Debido al aspecto irradiado de estos campos eléctricos y magnéticos, se les conoce ampliamente comoemisiones radiadas.

Estas emisiones radiadas pueden causar problemas en los circuitos o en toda una placa de circuito impreso (PCB). En un circuito ideal, encontrará solo las señales, la corriente y los voltajes producidos por el propio circuito. En el mundo real habrá ruido. Esto ocurre cuando la señal de un circuito es perturbada por cualquier otro.

Debido a la naturaleza de las señales electromagnéticas, es imposible evitar la presencia de ruido, pero sí es posible reducir considerablemente sus efectos.

Es fundamental que un dispositivo no afecte a otros cuando funciona, del mismo modo que es fundamental que el dispositivo no se vea afectado por otros a su vez. La susceptibilidad electromagnética es la capacidad de un circuito o sistema de seguir funcionando incluso si se ve afectado por interferencias. Esta susceptibilidad vendrá determinada por el nivel de ruido aplicado. Dependiendo de la aplicación (automotriz, médica, militar, etc.), se aceptan diferentes niveles de susceptibilidad.

Cada circuito, dispositivo o sistema debe diseñarse adecuadamente para irradiar la menor cantidad de emisiones posible y ser susceptible únicamente a un alto nivel de campos electromagnéticos.

La certificación de compatibilidad electromagnética (EMC) es un paso necesario para cualquier producto que salga al mercado. Cada producto debe someterse a pruebas de EMC para garantizar que no afectará a ningún otro equipo durante su instalación (es decir, una prueba de emisiones) y que su funcionamiento será normal incluso con la presencia de otros sistemas en el área circundante (es decir, una prueba de susceptibilidad).

Los diseños electrónicos suelen instalarse dentro de recintos. Los recintos metálicos son buenos para confinar campos electromagnéticos, pero no son perfectos. La unión entre la PCB y la carcasa presenta orificios o ranuras y los campos electromagnéticos pueden atravesarlos. El blindaje EMI puede cubrir convenientemente estos orificios.

Además, existe un problema común en muchos diseños de productos: la certificación EMC sólo se tiene en cuenta en las últimas etapas de su ciclo de diseño. En este punto, los diseños electromecánicos están congelados y luego el ingeniero de EMC casi no tiene espacio para modificar el producto para resolver problemas electromagnéticos. Debido a esto, a menudo es necesario disponer de un conjunto de herramientas para solucionar los problemas de radiación sin modificar una PCB. En estas situaciones, los blindajes EMI desempeñan un papel clave.

La tendencia mundial en electrónica es ser pequeña y rápida. Los PCB tienen circuitos digitales cada vez más rápidos con tiempos de subida muy cortos. Cuanto más corto sea el tiempo de subida, mayor será el ancho de banda y, por tanto, menor será la longitud de onda. Los problemas surgen cuando las longitudes de onda presentes en los circuitos son comparables a las dimensiones físicas de la PCB. Si estas longitudes de onda son lo suficientemente pequeñas, pueden llegar al exterior y producir interferencias con otros equipos.

Estas aberturas se pueden cerrar usando blindaje EMI, es decir, un material magnético que ayuda a cubrir estos pequeños agujeros y mejorar el efecto de jaula de Faraday del recinto mecánico.

Existen innumerables blindajes EMI, todos ellos con diferentes materiales y formas. Todos ellos, sin embargo, tienen el mismo objetivo común: confinar los campos electromagnéticos.

Los elementos de blindaje actúan como una barrera que bloquea las emisiones electromagnéticas. Este proceso de bloqueo es, en realidad, una enorme atenuación que depende de la frecuencia de la onda electromagnética y del material del elemento de blindaje.

Cuando una onda impacta un material protector, se generan dos nuevas ondas: una reflejada y otra transmitida. Por tanto, la energía de la onda incidente se divide en estas dos ondas. La componente transmitida es la relevante ya que saldrá al exterior atravesando el material de blindaje. La eficacia del blindaje determinará su capacidad para atenuar este componente.

La profundidad de la piel es la distancia que puede recorrer una onda antes de que su amplitud haya disminuido en un factor de 1/e. Es un factor que depende de la permeabilidad magnética, la frecuencia y la resistividad del material. Se puede aproximar mediante la siguiente expresión:

\[\delta = \sqrt{\frac {2}{\omega \en \sigma}}\]

Donde \(\sigma \) es la conductividad eléctrica, \(\mu \) es la permeabilidad magnética y \(\omega \) es la frecuencia angular.

El objetivo de utilizar un material de protección es reducir al máximo la amplitud de las ondas una vez que lo atraviesan. Por lo tanto es fundamental elegir el tipo de material así como su espesor.tpara asegurarse de que todas las frecuencias del sistema estén atenuadas.

La eficacia del blindaje (SE), expresada a continuación, determina qué tan bueno es el material de blindaje en esta tarea:

\[SE =20log \frac {\eta_o}{4\eta_s}+20loge^{t/\delta } (dB)\]

Aquí, el primer término corresponde a la pérdida por reflexión y el segundo término a la pérdida por absorción.

El tipo de blindaje EMI que seleccione dependerá en gran medida del tipo de producto, los requisitos electromagnéticos y las condiciones ambientales. Los blindajes EMI más comunes son los siguientes:

Las juntas EMI son Se utiliza para tapar los microagujeros presentes debido a las irregularidades entre dos superficies mecánicas. También pueden servir para mejorar la conexión a tierra. Tienen una parte adhesiva y muchos perfiles, por lo que se pueden instalar fácilmente en diferentes tipos de juntas mecánicas.

Cuando desea asegurarse de que todos los microagujeros estén cubiertos, pero no hay mucho espacio vertical para opciones como juntas EMI, las cintas EMC son muy útiles. Estas cintas tienen un material altamente conductor en la parte superior, como níquel o cobre, y un adhesivo en el otro lado.

Siempre se necesita una conexión a tierra corta, amplia y directa dentro de cualquier dispositivo. Si esta conexión no se realiza bien, se forma un monopolo no deseado que irradiará campos electromagnéticos. Los clips metálicos mejoran esta conexión y refuerzan la conexión mecánica.

Componentes como microprocesadores, circuitos integrados de memoria y etapas de radiofrecuencia (RF) son buenas fuentes comunes de interferencia. Puede optar por protegerlos individualmente colocando un gabinete de blindaje sobre ellos al nivel de la PCB.

Todos los circuitos emiten radiación electromagnética y son susceptibles de ser irradiados por otros. Obtener las certificaciones necesarias para llevar su producto al mercado puede ser un proceso de prueba doloroso.

El blindaje EMI, en todas sus formas y tipos, es fundamental para combatir los problemas EMI.

Imagen destacada creada a partir de obras de Markus Bautsch y Harwin Electronics.