Introdução ao Estudo da Interferência Eletromagnética (EMI) no Projeto de Placas de Circuito Impresso (PCBs) de Fontes Chaveadas.

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1 1 Intodução ao Estudo da Intefeência Eletomagnética (EMI) no Pojeto de Placas de Cicuito Impesso (PCBs) de Fontes Chaveadas. Andé Baos de Mello Oliveia Resumo Este tabalho apesenta, inicialmente, o conceito de Intefeência Eletomagnética (EMI, Electomagnetic Intefeence), de Compatibilidade Eletomagnética (EMC, Electomagnetic Compatibility), tipos de intefeências e nomalização. A segui é enfocada a sua fomulação matemática, atavés da Lei de Faaday de Indução Eletomagnética e algumas equações que descevem a popagação de sinais em alta feqüência, distinguindo-se, deste modo, paâmetos concentados e paâmetos distibuídos. Finalmente, são apesentados citéios básicos paa o pojeto de PCBs (Placas de Cicuito Impesso) paa uma Fonte Chaveada opeando em feqüência na faixa de khz, a fim de que se atenda a estições nomalizadas de compatibilidade eletomagnética, minimizando possíveis alteações funcionais. Palavas-chave EMI (Electomagnetic Intefeence), EMC (Electomagnetic Compatibility), PCB (Placas de Cicuito Impesso), Fontes Chaveadas (SMPS, Switch Mode Powe Supplies). A I. INTRODUÇÃO EMI (Intefeência Eletomagnética) é um poblema típico de uma fonte de alimentação chaveada, conhecida também na liteatua como conveso CC-CC, po opea em feqüências da odem de centenas de khz. Paa que ocoa um poblema de EMI, deve have: (1) uma fonte de ádio feqüência (RF), tal como um cicuito que gee uma onda quadada, (2) um caminho de acoplamento ou linha de tansmissão e (3) uma estutua iadiante ou antena [1]. Nas fontes chaveadas ocoem dois tipos de intefeência: a iadiada e a conduzida pela ede de alimentação. A EMI iadiada se compota como uma estação tansmissoa de RF e o seu meio de popagação é o a. A melho poteção paa este equipamento é a blindagem. A outa foma de EMI, a Tabalho apesentado na disciplina Teoia Eletomagnética, do Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética (PPGEE), no Cento de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenhaia Elética (CPDEE) da Univesidade Fedeal de Minas Geais, sob a oientação do Pof. D. Jaime Atuo Ramiez, paa obtenção de céditos, em outubo de Andé Baos de Mello Oliveia, Meste em Eletônica de Potência pelo PPGEE UFMG em 1998, é pofesso Assistente B, em egime de tempo integal, no UNI-BH Cento Univesitáio de Belo Hoizonte, no cuso de Engenhaia de Telecomunicações, desde agosto de UNI-BH Cento Univesitáio de Belo Hoizonte. Depatamento de Ciências Exatas e Tecnologia (DCET). Av. Pofesso Máio Weneck, 1685, Campus Estoil, Belo Hoizonte, Minas Geais. Bloco A4, 3 o anda. Fone: 0xx amello@acad.unibh.b. induzida pela ede elética, exige o uso de filto de linha, que popicia um caminho de baixa impedância paa as componentes de alta feqüência de coente [2]-[3]. Mas existe um teceio aspecto sobe EMI em fontes chaveadas que deve se levado em consideação: a EMI poduzida na placa de cicuito impesso (PCB, Pinted Cicuit Boads), cujo pojeto também deve segui nomas de compatibilidade eletomagnética (EMC, Electomagnetic Compatibility), a fim de que se minimize os possíveis poblemas de opeação no cicuito. II. CONCEITOS DE EMI E EMC. TIPOS DE INTERFERÊNCIAS. NORMALIZAÇÃO. A EMI e a EMC são conceitos inteligados, mas existem difeenças ente ambos. A EMI constiui o fenômeno físico da intefeência eletomagnética, que pode se, po exemplo, o uído causado po um fono micoondas ligado póximo a um apaelho de TV (uído este que podeá chega ao apaelho vítima atavés de duas fomas: induzida, pela ede elética e iadiada, atavés do a). A EMC é a caacteística contáia à EMI, isto é, é um paâmeto que eflete o nível de intefeência que deteminado equipamento emite [4]. Resumindo o conceito de EMC, este é a caacteística que equipamentos, dispositivos ou sistemas possuem de não intefeiem ou seem intefeidos, quando localizados em um deteminado ambiente, o qual podeá se um equipamento, uma sala, uma fábica, egião ou teitóio [5]. Na Figua 1, é ilustado um exemplo de EMC ente dois micocomputadoes, estando indicadas a intefeência conduzida (pelo cabo de alimentação ede elética) e a iadiada (popagação po ondas eletomagnéticas). Figua 1 Exemplo de EMC ente dois micocomputadoes [5]. Sobe o estudo dos efeitos danosos de intefeência

2 2 eletomagnética em sistemas e equipamentos, neste tabalho seão tatados apenas os que têm oigem na áea de Eletônica de Potência (fontes chaveadas ou convesoes CC-CC, paticulamente) [5]. Os poblemas causados pela intefeência eletomagnética atingem um especto de feqüência muito gande, o qual pode i desde a feqüência da ede alimentação até as feqüências utilizadas em sistemas de telecomumicações (da odem de khz e MHz.). Atualmente, a maioia dos apaelhos eleto-eletônicos utiliza convesoes CA-CC ou CC-CC, o que justifica o estudo da EMI na Eletônica de Potência. As emissões conduzidas po estes equipamentos ocupam, atualmente, uma faixa que vai de 20 khz até póximo de 30 MHz, o que depende da tecnologia do conveso e da tecnologia utilizada. Na Tabela 1 são apesentados exemplos de aplicações de convesoes de potência [5]. Equipamento Feqüência de Função Opeação Fonte Chaveada khz Supi enegia à caga Reato Eletônico khz Alimentação de Lâmpadas de Descaga UPS ( No-Beak ) 2 20 khz Fonecimento de Enegia Ininteupta Invesoes 2 20 khz Acionamento de Máquinas Eléticas e Aplic. em UPS Tabela 1 Exemplos de aplicações de convesoes de potência. Existem também as nomas de abangência intenacional, cujo código IEC vem do inglês, Intenational Electotechnical Comission. Como exemplo, a segui citam-se algumas nomas específicas sobe compatibilidade eletomagnética [4]. CISPR 11 emissão paa equipamentos médicos. CISPR 22 emissão paa equipamentos de infomação. IEC imunidade a RFI (intefeência po Rádio Feqüência). IEC imunidade a RFI conduzida. III. EMI EM UMA FONTE CHAVEADA O PROJETO DE PCB. Nas duas últimas décadas, a fonte de alimentação chaveada substituiu quase que na totalidade a fonte de alimentação linea, devido pincipalmente, ao seu maio endimento, meno peso e meno tamanho. Na Figua 1 é apesentado o esquema de um conveso CC-CC ou fonte chaveada. Este equipamento é um pocessado de potência, convetendo o sinal de entada de um nível de tensão CC de E volts paa um sinal de saída de V o volts, onde pode se te V o E ou V o E, dependendo da topologia empegada. NORMALIZAÇÃO O objetivo da nomalização em questões de EMC é estabelece limites paa a emissão de EMI e susceptibilidade. Alguns temos ligados à nomalização em EMC meecem se destacados a segui, paa a melho compeensão do assunto [5]. a) meio eletomagnético - é a totalidade de fenômenos eletomagnéticos existentes em um dado local; b) distúbio eletomagnético é qualque fenômeno eletomagnético que pode degada a pefomance de um dispositivo, equipamento ou sistema; c) Imunidade (a um distúbio) é a caacteística de um dispositivo, equipamento ou sistema de opea sem degadação na pesença de um distúbio eletomagnético; d) Susceptibilidade (eletomagnética) é a falta de poteção de um dispositivo, equipamento ou sistema paa opea sem degadação, na pesença de um distúbio eletomagnético. É o oposto de imunidade. A Tabela 2 mosta esumidamente os pincipais ógãos de nomalização na áea de EMC [5]. Sigla Significado Região de Abangência CENELEC Comitê Euopeu de Comunidade Euopéia Nomalização Eletotécnica VCCI Conselho de Contole Japão Voluntáio paa Intefeência VDE União Eletotécnica Alemã Alemanha FCC Comissão Fedeal de Estados Unidos Comunicações CISPR Comitê Intenacional Especial de Petubações Radioeléticas Abangência Intenacional Tabela 2 Pincipais Ógãos Regulamentadoes de EMC. Figua 1 (a) Conveso CC-CC com contole da tensão de saída. (b) Modulado PWM. (c) Fomas de onda da tensão de contole, da ampa e do sinal de dive (acionamento) da(s) chave(s) semicondutoa(s). Nota-se pela Figua 1c um sinal de onda quadada (V s ), que aciona o semiconduto pelo método PWM (modulação po lagua de pulso, do inglês Pulse Width Modulation). Este dipo de sinal apesenta elevados valoes de dv/dt e di/dt, o que favoece sensivelmente o apaecimento de tensões induzidas, seja em componentes, seja em equipamentos vizinhos. Pela Lei de Faaday, temos [6]: d(n ) E. dl (1) dt Paa qualque induto, temos [7]: N Li (2)

3 3 onde N constitui o númeo de espias de um induto qualque (que podeá se uma bobina, um solenóide, um toóide etc.). Numa fonte chaveada podem apaece intefeência iadiada e intefeência conduzida. A Figua 3 ilusta os caminhos po onde a EMI conduzida se popaga da fonte paa a ede [4]. Note-se que as pequenas capacitâncias paasitas fomadas pelo tansfomado, tansisto chaveado, dissipado de calo e pate etificadoa são suficientes paa tansmiti o uído elético paa a ede. descida, e D é o ataso de popagação do sinal, dado pela Equação (4): D 33,3 (ps cm -1 ) (4) eff Paa uma PCB cujo mateial dielético (fenolite) possui eff (pemeabilidade efetiva) de apoximadamente 4,5, o ataso de popagação seá de ceca de 71 ps cm -1. Figua 3 Capacitoes paasitas fomam um caminho paa a EMI conduzida em uma fonte chaveada. Um aspecto impotante a enfatiza é que uma fonte chaveada não é só geadoa de EMI, ela também pode se sensível ao uído emitido, pincipalmente em seus dispositivos intenos dispostos nas placas de cicuito impesso (PCB): cicuitos de entada, de contole e de saída. PROJETO DE PCBs Num pojeto de PCB, alguns citéios páticos são ecomendados [3]: - utilização de tilhas dietas ente o contole e o dive, evitando ao máximo cuvas, pois estas geam ataso na esposta dinâmica do cicuito; - evita conexões (teminais e conectoes intenos) pois estas agegam significativas esistência e indutância paasitas ao cicuito; - distibuição do teminal de tea da placa atavés de tilhas gossas (maio áea), pela peifeia da placa. Isto popicia uma gaiola de Faaday, minimizando as EMI poduzidas e ecebidas. Na análise do compimento de tilhas, é impotante leva em conta o compimento da boda de subida (ou de descida) de um sinal de pulso, feqüente em fontes chaveadas. Identificado po L (cm), este paâmeto é definido matematicamente pela Equação (3) [1]: T L (3) D onde: T, ise time, tempo de subida do sinal de pulso (ve Figua 4), consideado igual a T f, fall time, tempo de Figua 4 Aspectos de um pulso de tensão: lagua de pulso (pulse width), tempos de subida e de descida (ise time e fall time, espectivamente. Como exemplo, seja uma tilha de 30 cm, ao longo da qual viaja um sinal de pulso de um cicuito integado da família 74F (high spedd CMOS family), cujo T é de 1,5 ns, apoximadamente. Consideando-se o ataso de popagação calculado anteiomente pela Equação (4), o paâmeto L seá T 1,5 ns - D 71ps cm L 1 21,1 cm. Potanto, paa o compimento do conduto que o sinal atavessa (tilha de 30 cm), haveá um decaimento do sinal ao longo do mesmo, pois o fato L de 21,1 cm impede que a tilha seja consideada um cuto-cicuito paa o sinal de pulso, confome ilusta a Figua 5. Figua 5 Atenuação de um sinal de pulso - zoom na egião de L paa um sinal de T = 1,5 ns [1]. ANÁLISE POR PARÂMETROS CONCENTRADOS E POR PARÂMETROS DISTRIBUÍDOS. Na análise de um cicuito, especialmente no pojeto de PCB, pode se tata os sinais atavés de análise de paâmetos concentados (lumped analysis), onde as ondas eletomagnéticas são extemamente ápidas e considea-se os sinais invaiantes ao longo de um pecuso e atavés de paâmetos distibuídos (distibuted analysis), onde o fio ou pecuso ao longo do qual a tensão podeá se difeente e as ondas eletomagnéticas possuião uma velocidade finita. Daí, suge a pegunta: quando se pode considea um fio longo? Um citéio pático considea se o fio é ceca de

4 4 1/6 vezes maio que o compimento L (compimento da boda de subida ou de descida). Lembando que L = T /D, considea-se um fio como paâmeto concentado quando ocoe a seguinte condição: L T 6D T conc (cm) (5) 200. que mosta a alimentação de um cicuito integado com encapsulamento DIP (dual in-line package), apaecem o capacito de desacoplamento ente as tilhas de sinais + V CC e 0 V e as indutâncias paasitas, com os valoes indicados. onde T = tempo de subida, ps. INDUTÂNCIA E CAPACITÂNCIA PARASITAS Numa PCB, indutâncias e capacitâncias paasitas limitam a velocidade de popagação dos sinais, alteando a dinâmica do cicuito. Uma indutância paasita pode apaece devido à tensões induzidas po tilhas póximas ou, po exemplo, devido a uma espia quadada [4], a qual sempe apaece em PCB. Haveá uma intefeência po descaga eletostática numa PCB, supondo uma di/dt de 10 A / ns e a Equação da tensão induzida na indutância paasita de uma espia (N = 1), dada po (lei de Faaday): V L N.A.B N.A. di dt (6) 2d onde d é a distância da fonte de descaga eletostática (vide Tabela 3), A = áea da espia (Tabela 3), a tensão V L seá dada pela Tabela 3 (áea destacada): Distância (d) Áea 10 cm 1 m 3 m 1 cm 2 2 0,2 0,07 10 cm ,7 Tensão induzida, V L (V) Tabela 3 Exemplo de campo eletomagnético geado po descaga eletostática. O efeito de capacitância paasita podeá ocoe ente duas tilhas, bem como o efeito de indutância mútua, como ilusta a Figua 6. Figua 7 Indutâncias paasitas com CI em DIP e capacito de desacoplamento [8]. A indutância total, na malha constituída pelos cinco indutoes e o capacito de desacoplamento é dada po L = = 80 nh. Consideando um CI lógico da família TTL, com demanda de 30 ma de coente po pota lógica, esultaá numa tensão induzida dada po V L = L.(di/dt) = mv (paa uma pota ou gate). Uma maneia pática de eduzi o valo do capacito de desacoplamento bem como a indutância paasita na malha indicada na Figua 7 é altea o layout das tilhas, como indica a Figua 8. Esta alteação eduz em ceca de 400 % a áea da malha [8]. Figua 6 Repesentação esquemática de indutância mútua e capacitância paasita ente duas tilhas [1]. Outo exemplo de ocoência de indutâncias paasitas pode se ilustado atavés da Figua 7 [8]. No esquema,, Figua 8 Redução da áea da malha do esquema da Figua 7 com a alteação do layout das tilhas (apoximação). CONSIDERAÇÕES FINAIS No pojeto de PCB paa cicuitos de alta velocidade, é peciso segui deteminados citéios, a fim de mante os níveis de EMI dento dos limites estabelecidos pelas nomas de EMC. O coeto dimensionamento das tilhas, o estudo das impedâncias caacteísticas pesentes e um estudo apofundado das técnicas de compatibilidade eletomagnética gaantião uma opeação coeta do cicuito a se constuído.

5 5 III. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] KRAUSS, John D. and FLEISH, Daniel A. Electomagnetic with Applications. Fifth Edition. Singapoe: WCB/McGaw-Hill, [2] POMILIO, José Anteno. Caacteização de Fontes Chaveadas. Capítulo 12 da Apostila Fontes Chaveadas. Disponível em < Acesso em 20 de setembo de [3] CAPELLI, Alexande. Como pojeta Fontes Chaveadas de Alimentação. Revista Sabe Eletônica n o 346, pp São Paulo: Editoa Sabe Ltda., novembo de [4] CAPELLI, Alexande. EMC (Compatibilidade Eletomagnética). Revista Sabe Eletônica n o 350, pp São Paulo: Editoa Sabe Ltda., maço de [5] MAGNUS, Elio de Feitas. Desenvolvimento de uma Feamenta paa Ensaios de EMI Conduzida de Baixo Custo. Dissetação de Mestado. Pontifícia Univesidade Católica do Rio Gande do Sul PUC-RS. Depatamento de Engenhaia Elética. Pogama de Pós- Gaduação em Engenhaia Elética. Poto Alege: dezembo de Disponível em : < Acesso em 20 set [6] MACEDO, Annita. Eletomagnetismo. Rio de Janeio: Editoa Guanabaa S. A., [7] HALLIDAY, D. et alli. Fundamentos de Física. Volume 3. Rio de Janeio: LTC Livos Técnicos e Científicos Editoa S.A., [8] MARDIGUIAN, Michel. Contolling Radiated Emissions by Design. New Yok: Chappman & Hall, 1992.