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 aumentou inesperadamente acima da linha limite. Ou, você introduziu um plano de chassi em sua placa de circuito impresso (PCB), apenas para descobrir que as emissões irradiadas pioraram muito em vez de melhorar. Esses são casos típicos de "sintonizar as ressonâncias de um circuito".

A maioria das emissões de EMI está relacionada a ressonâncias estruturais. As ressonâncias estruturais também são uma das principais razões pelas quais a compatibilidade eletromagnética (EMC) pode ser confusa. Sem saber, os engenheiros costumam passar 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 um passe. Mas na maioria das vezes, as soluções são difíceis de encontrar.

Uma enorme quantidade de trabalho foi feita sobre o assunto de 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, técnicas que são eficazes, mas também economizam tempo, são incentivadas. 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 na solução de 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) Dois PCBs com uma conexão de fio; (b) Dois gabinetes com o mesmo ponto de aterramento.

De um modo geral, existem três métodos para localizar ressonâncias estruturais que incluem as técnicas analíticas, no domínio da frequência e no domínio do 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 geralmente são bons o suficiente para fornecer uma estimativa da frequência de ressonância do dispositivo em teste (DUT). Frequentemente, uma abordagem analítica é obtida por meio de simulação de onda completa em 3D ou algum software EMC especializado.

O benefício da abordagem analítica é que ela pode fazer uma previsão antes que um protótipo seja construído, tornando essa abordagem popular no projeto e desenvolvimento de aplicações automotivas, aeroespaciais e espaciais. Muitas vezes, tais empresas possuem modelos de simulação já 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 longa e cara.

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. Esse método requer um pequeno loop de campo magnético para "farejar" estruturas suspeitas, geralmente no nível da placa do PC. Williams introduziu uma medição de campo distante usando um analisador de espectro com um gerador de rastreamento (consulte a 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 em que o aterramento da PCB ressoa com o gabinete (chassi). Ambos os métodos são práticos e requerem apenas uma pequena quantidade de configuração de teste. A desvantagem desses métodos é que eles geralmente são limitados à investigação no nível da placa PCB e não são úteis em sistemas grandes.

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