Solução de problemas de EMI causados ​​por ressonâncias estruturais

Isso aconteceu com você? Ao solucionar um problema de interferência eletromagnética (EMI), você tentou várias combinações de componentes e viu o sinal de interesse reduzido. Mas outro sinal de frequência subiu inesperadamente acima da linha limite. Ou você introduziu um chassi plano em sua placa de circuito impresso (PCB), apenas para descobrir que as emissões irradiadas pioraram muito em vez de melhorarem. Estes são casos típicos de “sintonização das ressonâncias de um circuito”.

A maioria das emissões EMI está relacionada com ressonâncias estruturais. As ressonâncias estruturais também são uma das principais razões pelas quais a compatibilidade eletromagnética (EMC) pode ser confusa. Inconscientemente, os engenheiros muitas vezes passam dias e meses ajustando as ressonâncias de um circuito adicionando elementos passivos, como indutores e capacitores. Às vezes, eles têm a sorte de finalmente chegar a uma combinação que lhes daria uma chance. Mas na maioria das vezes, as soluções são difíceis de encontrar.

Uma enorme quantidade de trabalho foi realizada sobre ressonâncias estruturais e uma visão geral desses trabalhos pode ser encontrada na Referência 1. Dois estudos de caso práticos também são apresentados na Referência 1 para demonstrar métodos para identificar, localizar e corrigir problemas de EMI que estão associados a ressonâncias estruturais.

A engenharia EMC geralmente exige que os problemas sejam resolvidos (mas não estudados) dentro de um tempo limitado. Portanto, são incentivadas técnicas que sejam eficazes, mas que também economizem tempo. Existem indicadores que sinalizam a presença de ressonâncias estruturais, e os engenheiros podem aprender a usar esses indicadores para localizar a estrutura ressonante e corrigir os problemas de EMI. Este artigo também explora algumas técnicas práticas para solucionar problemas de EMI causados ​​por ressonâncias estruturais. Estudos de caso são apresentados para ilustrar essas técnicas.

As seguintes condições precisam ser atendidas para que uma estrutura ressoe:

Figura 1: Casos típicos de ressonâncias estruturais; (a) Duas PCBs com conexão de fio; (b) Dois gabinetes com o mesmo ponto de aterramento.

De modo geral, existem três métodos para localizar ressonâncias estruturais que incluem as técnicas analíticas, de domínio de frequência e de domínio de tempo.

Uma abordagem analítica geralmente requer experiência e conhecimento técnico para modelar/simular o sistema. Para sistemas pequenos com problemas conhecidos, como o estudo de caso apresentado na Referência 1, cálculos matemáticos simples costumam ser suficientes para fornecer uma estimativa da frequência de ressonância do dispositivo em teste (DUT). Muitas vezes, uma abordagem analítica é obtida por simulação 3D de onda completa ou por algum software EMC especializado.

O benefício da abordagem analítica é que ela pode fazer uma previsão antes de um protótipo ser construído, tornando esta abordagem popular no projeto e desenvolvimento de aplicações automotivas, aeroespaciais e espaciais. Muitas vezes, tais empresas possuem modelos de simulação que foram validados no passado e que podem ser facilmente modificados para um novo estudo. Mas para empresas que não possuem modelos existentes, construir uma simulação pode ser uma jornada cara e demorada.

No domínio da frequência, existem duas técnicas principais. A medição da potência refletida por um loop de campo magnético é discutida na Referência 2 e o mesmo método foi demonstrado na Referência 1. Este método requer um pequeno loop de campo magnético para “farejar” estruturas suspeitas, geralmente no nível da placa de circuito impresso. Williams introduziu uma medição de campo distante usando um analisador de espectro com um gerador de rastreamento (ver Referência 3). Um sinal de referência é injetado no DUT pela saída do gerador de rastreamento e uma antena é usada para medir o sinal de resposta. Este método é particularmente útil em aplicações onde o aterramento da PCB ressoa com o gabinete (chassi). Ambos os métodos são práticos e requerem apenas uma pequena configuração de teste. A desvantagem desses métodos é que eles geralmente são limitados à investigação em nível de placa PCB e não são úteis em sistemas grandes.

No domínio do tempo, é frequentemente usada a medição da corrente ressonante com uma sonda de monitoramento de corrente de RF quando um pulso é injetado no sistema (consulte a Referência 4). Isso serve como uma técnica eficaz quando se trata de solucionar problemas de sistemas grandes ou onde vários PCBs estão interconectados.