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Apr 15, 2024

Avaliando o desempenho EMC de blindagens de PCB por modelagem eletromagnética

No passado, os engenheiros da EMC dependiam de invólucros metálicos para conter campos eletromagnéticos e atender aos limites de emissões irradiadas em produtos militares e de consumo. Eletrônica comercial moderna

No passado, os engenheiros da EMC dependiam de invólucros metálicos para conter campos eletromagnéticos e atender aos limites de emissões irradiadas em produtos militares e de consumo. Os produtos eletrônicos comerciais modernos normalmente usam invólucros de plástico moldado, uma vez que são considerados esteticamente mais agradáveis ​​do que um invólucro de metal, mas também para economizar peso e custos.

Com o layout correto da PCB, sinalização diferencial e filtragem de modo comum nos cabos, às vezes é possível atender aos requisitos comerciais de EMI sem empregar qualquer blindagem no gabinete. No entanto, com o aumento da complexidade, da densidade dos componentes e da velocidade da lógica, os projetistas frequentemente revestem o invólucro de plástico com uma fina camada condutora para fornecer um nível de blindagem. Além disso, proteções metálicas podem ser colocadas diretamente sobre componentes ruidosos e sensíveis na PCB, para reduzir ainda mais as emissões e melhorar a imunidade. Em princípio, um revestimento condutor pode ser muito eficaz. Na prática, a costura entre as duas metades de um invólucro tipo concha ou entre o invólucro e o plano de referência da PCB limita a eficácia da blindagem. Isto se deve ao mau contato elétrico na interface, causado por pressão inadequada, baixa área superficial de contato e folgas devido a irregularidades nas peças moldadas ou no revestimento.

Em um sistema eletrônico compacto de alta densidade, como um telefone celular, pode ser necessário colocar invólucros EMI de metal sólido sobre componentes ruidosos para reduzir emissões ou sobre componentes sensíveis para melhorar a imunidade. Isto pode ser particularmente importante quando vários sistemas de comunicações de rádio estão localizados próximos e a interferência de radiofrequência (RFI) deve ser minimizada. O desempenho da blindagem dos invólucros metálicos também depende fortemente do contato elétrico com a PCB. O gabinete normalmente inclui várias abas para conectar ao PCB e pode haver lacunas entre abas sucessivas. Além disso, o invólucro pode ser perfurado, normalmente na superfície superior, para proporcionar ventilação e isto pode comprometer o desempenho da blindagem, especialmente em altas frequências.

A eficácia relativa da blindagem de várias estratégias de blindagem de PCB será investigada neste artigo, aplicando simulação de campo eletromagnético 3D, com base no solucionador 3D Transmission-Line Matrix (TLM) no domínio do tempo. A resolução dos campos EM no domínio do tempo permite que a resposta ao impulso do sistema seja extraída de um único cálculo. A transformada de Fourier pode posteriormente ser aplicada para produzir o campo ou emissões irradiadas de pico de banda larga. A eficácia da blindagem pode ser calculada comparando a radiação com e sem a presença da blindagem.

Primeiro calcularemos a blindagem de um invólucro de plástico revestido condutivamente e exploraremos a degradação do desempenho com o aumento da impedância da costura. Em seguida, investigaremos o uso de blindagem de componentes em uma aplicação de telefone celular GSM para isolar dois componentes PCB sensíveis dos campos da antena. Por fim, modelaremos uma PCB gráfica usada em um sistema de display automotivo, onde uma tampa metálica é colocada em um lado da placa para proteger circuitos digitais barulhentos.

Gabinete de concha de molusco revestido condutivamente Para esta primeira aplicação, um invólucro de plástico com 8 cm de largura, 12 cm de comprimento e 6 cm de altura é revestido com uma película condutora de níquel com espessura de 0,001 polegada (0,0254 mm). Para revestimentos condutores finos, é importante avaliar a eficácia da blindagem do campo magnético, uma vez que é possível que a profundidade da corrente superficial seja maior que a espessura do filme condutor. O efeito pelicular faz com que a resistência efetiva do condutor aumente com a frequência da corrente. A 1 MHz em Níquel, a profundidade da pele é de cerca de 0,12 µm. A profundidade da pele (δ) é inversamente proporcional à raiz quadrada da frequência (f) e da condutividade (σ). O aumento da frequência resulta em profundidades de pele menores.

δ = 1 / √ πfµs

A difusão da corrente dependente da frequência através do fino revestimento condutor é representada com precisão no modelo TLM por uma condição especial de contorno do painel fino. Não é necessário usar células de malha de volume para capturar a espessura do filme, o que acelera o cálculo e reduz a memória do computador necessária para resolver o problema.