Solución de problemas de EMI, paso a paso

Recuerde que no todas las fuentes de energía de alta frecuencia ubicadas en la placa radian. La radiación requiere algún tipo de acoplamiento a una estructura tipo antena, como un cable de E/S, un cable de alimentación o una junta en la carcasa blindada.

Compare las frecuencias armónicas con osciladores de reloj conocidos u otras fuentes de alta frecuencia. Le resultará útil usar la Calculadora de Osciladores de Reloj, desarrollada por mi coautor, Patrick André. Consulte el enlace de descarga en la Referencia 2.

Al aplicar posibles correcciones a nivel de placa, asegúrese de fijar con cinta adhesiva la sonda de campo cercano para reducir la variación que experimentará en la ubicación física de la punta. Recuerde que nos interesan principalmente los cambios relativos al aplicar las correcciones.

Además, las sondas de campo H son más sensibles (acoplarán la mayor parte del flujo magnético) cuando su plano está orientado en paralelo a la pista o al cable. También es recomendable colocar la sonda a 90 grados del plano de la placa de circuito impreso. Véase la Figura 2.

Sonda de corriente. A continuación, mida las corrientes de los cables de modo común conectados (incluidos los cables de alimentación) con una sonda de corriente de alta frecuencia, como la Fischer Custom Communications modelo F-33-1 o equivalente (Figura 3). Registre la ubicación de los armónicos más importantes y compárela con la lista obtenida mediante el sondeo de campo cercano. Estos son los que tienen mayor probabilidad de radiar y causar fallos en las pruebas, ya que fluyen por estructuras similares a antenas (cables). Utilice la tabla de calibración de impedancia de transferencia proporcionada por el fabricante para calcular la corriente real a una frecuencia específica. Tenga en cuenta que solo se necesitan de 5 a 8 μA de corriente de alta frecuencia para no cumplir con los límites de prueba de la FCC o CISPR.

Figura 3. Uso de una sonda de corriente para medir corrientes de alta frecuencia que fluyen por cables de E/S y de alimentación.

Es recomendable deslizar la sonda de corriente de un lado a otro para maximizar los armónicos. Esto se debe a que algunas frecuencias resonarán en diferentes puntos debido a las ondas estacionarias en el cable.

También es posible predecir el campo eléctrico radiado (V/m) dada la corriente que fluye por un cable, asumiendo que la longitud es eléctricamente corta a la frecuencia en cuestión. Se ha demostrado que esto es preciso para cables de 1 m de longitud a una frecuencia de hasta 200 MHz. Consulte la Referencia 3 para obtener más información.

Nota sobre el uso de antenas externas

Tenga en cuenta que existen dos objetivos distintos al utilizar antenas EMI externas;

1. Solución de problemas relativa, donde se identifican áreas con frecuencias de falla y se necesita reducir sus amplitudes. No se requiere una antena calibrada, ya que solo importan los cambios relativos. Lo importante es que el contenido armónico del EUT sea fácilmente visible.
2. Pruebas de preconformidad, donde se desea replicar la configuración de prueba utilizada por el laboratorio de pruebas de conformidad. Es decir, se instala una antena calibrada a 3 o 10 m del producto o sistema bajo prueba y se determina de antemano si se aprueba o no.

Pruebas previas al cumplimiento de las emisiones radiadas

Si desea configurar una prueba de preconformidad (n.° 2 anterior), con una antena EMI calibrada y separada 3 o 10 m del EUT, puede calcular el campo eléctrico (dBμV/m) registrando la lectura de dBμV del analizador de espectro y considerando la pérdida coaxial, la ganancia del preamplificador externo (si se utiliza), cualquier atenuador externo (si se utiliza) y el factor de antena (de la calibración de antena proporcionada por el fabricante). Este cálculo puede compararse directamente con los límites de la prueba de emisiones radiadas a 3 o 10 m mediante la fórmula:

Campo eléctrico (dBμV/m) = SpecAnalyzer (dBμV) – Ganancia del preamplificador (dB) + Pérdida coaxial (dB) + Pérdida del atenuador (dB) + Factor de amplificación (dB)

Para los fines de este artículo, me centraré principalmente en el procedimiento de resolución de problemas con una antena de espaciado cercano (n.° 1 arriba) para la caracterización general de los niveles armónicos que se emiten y para probar posibles soluciones. Por ejemplo, si sabe que podría superar el límite en 3 dB en alguna frecuencia armónica, su objetivo debería ser reducir esa emisión entre 6 y 10 dB para obtener un margen adecuado.

Figura 4. Una configuración de prueba típica para medir las emisiones radiadas reales mientras se solucionan las causas.

Solución de problemas con una antena de espacio reducido

Una vez caracterizado completamente el perfil armónico del producto, es momento de determinar qué armónicos se irradian realmente. Para ello, utilizamos una antena ubicada al menos a 1 m del producto o sistema bajo prueba para medir las emisiones reales (Figura 4). Normalmente, se tratará de fugas de los cables de E/S o de alimentación conectados, así como de fugas en la carcasa blindada. Compare estos datos con los de las sondas de campo cercano y de corriente. ¿Puede determinar ahora la(s) fuente(s) probable(s) de las emisiones observadas?

Intente determinar si la radiación del cable es el problema principal retirando los cables uno por uno. También puede probar instalando un inductor de ferrita en uno o más cables. Utilice las sondas de campo cercano para determinar si también se producen fugas en las juntas o aberturas de la carcasa blindada.

Una vez identificadas las fuentes de emisión, puede utilizar sus conocimientos de filtrado, conexión a tierra y blindaje para mitigar las emisiones problemáticas. Intente determinar la ruta de acoplamiento desde el interior del producto hasta los cables externos. En algunos casos, podría ser necesario rediseñar la placa de circuitos optimizando la distribución de capas o eliminando las trazas de alta velocidad que cruzan los huecos en los planos de retorno, etc. Al observar los resultados en tiempo real con una antena separada, la fase de mitigación debería ser rápida.

Problemas comunes

Hay una serie de áreas de diseño de productos que pueden provocar emisiones radiadas:

1. Las terminaciones deficientes del blindaje del cable son el principal problema
2. Protección contra fugas de productos
3. Cables internos acoplados a costuras o áreas de E/S
4. Trazas de alta velocidad que cruzan huecos en el plano de retorno
5. Apilamiento de capas subóptimo

Consulte las referencias para obtener detalles adicionales sobre los problemas de diseño del sistema y de la placa de PC que pueden provocar fallas en las emisiones.

Inmunidad radiada

La mayoría de las pruebas de inmunidad radiada se realizan entre 80 y 1000 MHz (o, en algunos casos, hasta 2,7 GHz). Los niveles de prueba habituales son de 3 o 10 V/m. Los productos militares pueden alcanzar niveles de hasta 50 a 200 V/m, dependiendo del entorno operativo. La norma comercial para la mayoría de los productos es IEC 61000-4-3, cuya configuración de prueba es bastante compleja. Sin embargo, con técnicas sencillas, se pueden identificar y resolver la mayoría de los problemas rápidamente.

Radio portátil. Para la inmunidad radiada, generalmente comenzamos fuera del EUT y utilizamos transmisores portátiles sin licencia, como los walkie-talkies del Servicio de Radio Familiar (FRS) (o equivalentes), para determinar las áreas de debilidad. Al mantener estos radios de baja potencia cerca del producto o sistema bajo prueba, a menudo se puede forzar una falla (Figura 5).

Mantenga pulsado el botón de transmisión y recorra con la antena de radio todo el EUT. Esto debe incluir todos los cables, las uniones, los puertos de pantalla, etc.

Figura 5. Uso de un transmisor sin licencia para forzar un fallo.

Generador de RF

Es muy común que solo ciertas bandas de frecuencia sean susceptibles y, a veces, las radios portátiles de frecuencia fija no sean efectivas. En ese caso, utilizo un generador de RF ajustable con una sonda de campo H de gran tamaño y sondeo alrededor en frecuencias de fallo conocidas. También es útil sondear los cables internos y la placa de circuito impreso para determinar las áreas sensibles. Para productos más pequeños, como en la Figura 6, pruebe con sondas de campo H más pequeñas para obtener la mejor resolución física.

Figura 6. Uso de un generador de RF y una sonda de campo H para determinar áreas de sensibilidad.

En lugar de los generadores de RF más grandes, de calidad de laboratorio, también utilizo un sintetizador de RF más pequeño, controlado por USB, como el Windfreak SynthNV (o equivalente) con sonda de campo cercano. El SynthNV puede producir hasta +19 dBm de potencia de RF desde 34 MHz hasta 4,4 GHz, por lo que funciona bien. Este también encaja perfectamente en mi kit de diagnóstico de EMI. Véase la Figura 7. Encontrará una lista de generadores recomendados en la Referencia 1.

Figura 7. Uso de un pequeño generador de RF sintetizado para producir campos de RF intensos alrededor de la punta de la sonda

Descarga electrostática

Las pruebas de descarga electrostática se realizan mejor utilizando una configuración de prueba como la descrita en la norma IEC 61000-4-2. Esto requiere una mesa de prueba y planos de tierra de ciertas dimensiones. El equipo bajo prueba (EPU) se coloca en el centro de la mesa de prueba. Normalmente recomiendo reemplazar las baldosas del suelo con láminas de cobre o aluminio de 1,2 x 2,4 metros, que encajarán perfectamente en los espacios de las baldosas existentes (Figura 8). Las pruebas requieren un simulador de ESD, disponible en diversas fuentes. Véase la Referencia 1. Utilizo el KeyTek MiniZap, un modelo más antiguo, que es relativamente pequeño y se puede ajustar a +/- 15 kV. Existen otros diseños adecuados (y más recientes).

Figura 8. Configuración de la prueba ESD según la norma IEC 6100-4-2. Imagen cortesía de Keith Armstrong.

Las pruebas de ESD son bastante complejas en cuanto a la identificación de los puntos de prueba, pero básicamente existen dos pruebas: descarga de aire y descarga de contacto. Utilice la descarga de aire en todos los puntos donde un operador pueda tocar el exterior del EUT. Utilice la descarga de contacto en todo el metal expuesto donde un operador pueda tocar y descargar. Pruebe tanto la polaridad positiva como la negativa. La mayoría de las pruebas comerciales requieren una descarga de contacto de 4 kV y una descarga de aire de 8 kV.

La configuración de prueba también incluye planos de acoplamiento horizontales y verticales. Utilice la punta de descarga de contacto en los planos de acoplamiento. Estos planos requieren una ruta de descarga de alta impedancia a tierra. Consulte la norma IEC para obtener más información y los procedimientos de prueba exactos.

Figura 9. Simulador típico de ESD con puntas de descarga de aire y de contacto. Puede producir hasta +/- 15 kV.

Resumen

Al desarrollar su propio laboratorio de pruebas de resolución de problemas EMI y de cumplimiento previo, ahorrará tiempo y dinero al trasladar el proceso de resolución de problemas internamente, en lugar de programar tiempo y los costos y retrasos en la programación relacionados al depender de laboratorios de pruebas comerciales.

La mayoría de las pruebas de EMI de alto riesgo se realizan fácilmente con equipos económicos. El ahorro al realizar la resolución de problemas en sus propias instalaciones puede ascender a cientos de miles de dólares y semanas o meses de retrasos en el producto.

Referencias

Lista recomendada de equipos para resolución de problemas de EMI: http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

1. Calculadora de oscilador de reloj (Patrick André) – http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
2. André y Wyatt, Libro de recetas de resolución de problemas de EMI para diseñadores de productos, SciTech, 2014.
3. Joffe y Lock, Fundamentos de la conexión a tierra, Wiley, 2010
4. Ott, Ingeniería de compatibilidad electromagnética, Wiley, 2009
5. Mardiguian, Técnicas de resolución de problemas de EMI, McGraw-Hill, 2000
6. Montrose, EMC simplificado, Servicios de cumplimiento de Montrose, 2014
7. Morrison, Conexión a tierra y blindaje: circuitos e interferencias, Wiley, 2016
8. Williams, EMC para diseñadores de productos, Newnes, 2017