Eficiência da estrutura EBG para atenuação da radiação eletromagnética entre cavidades de PCB multicamadas

Abstract

Resumo: Com o desenvolvimento da eletrônica digital e de potência, que operam em frequências cada vez mais elevadas, há uma necessidade de pesquisas constantes para atenuação de ruídos eletromagnéticos. Dentre estes, o ruído Simultaneous Switching Noise (SSN) é um dos maiores problemas para o desenvolvimento de placas de circuito impresso (PCB) multicamadas em altas frequências. Este ruído gera uma radiação que se propaga por toda a PCB utilizando as camadas de energia como guia de onda e afeta principalmente os sinais que transitam pelas vias de interconexão entre as diversas camadas da placa, provocando a deterioração da integridade de sinal dos dispositivos eletrônicos. Existem diversos métodos para atenuação desse ruído, sendo que um dos mais estudados atualmente é a estrutura electromagnetic bandgap (EBG), por sua capacidade de atenuação em frequências acima de 1 GHz. Este trabalho explora através de ensaios experimentais e simulações eletromagnéticas a eficiência desta estrutura na atenuação do ruído em regiões que possuem as vias de passagem entre as camadas da PCB. A estrutura EBG, atua como um filtro rejeita faixa, que pode ser aplicada em placas multicamadas de forma a minimizar a interferência eletromagnética entre os circuitos integrados e assim, melhorar a integridade de sinal de todo o sistema. Sendo um elemento com uma larga banda de operação, é possível utilizar uma mesma estrutura no desenvolvimento de um projeto eletrônico para uma grande faixa de frequências, sem a necessidade de mudança de componentes em relação a propostas de filtros tradicionais. Através de simulações de campo próximo e análise do Diagrama de Olho, é verificado que a placa que utiliza a estrutura EBG obtém um resultado na relação sinal ruído (SNR) 2 vezes superior e uma redução de 30% na intensidade do campo elétrico na região em torno da via de passagem e 5 vezes na intensidade de campo magnético, quando comparada a uma estrutura convencional. Nos ensaios experimentais é demonstrando que a radiação que se propaga pela PCB e realiza um acoplamento nas trilhas de comunicação é 4 vezes maior na placa que não possui a estrutura EBG. Em suma, os resultados tanto experimentais como simulados demonstram uma boa concordância entre si, validando a metodologia adotada. Palavras-chave: Interferência Eletromagnética. Integridade de Sinais. Compatibilidade Eletromagnética.

Abstract: With the development of digital and power electronics, which operate at ever higher frequencies, there is a need for constant research to attenuate electromagnetic noise. Among these, Simultaneous Switching Noise (SSN) is one of the biggest problems for the development of multilayer printed circuit boards (PCBs) at high frequencies. This noise generates radiation that spreads throughout the PCB using the energy layers as a waveguide and mainly affects the signals that pass through the interconnection paths between the different layers of the board, causing the deterioration of the signal integrity of electronic devices. There are several methods to attenuate this noise, one of the most studied nowadays is the electromagnetic bandgap (EBG) structure, due to its ability to attenuate frequencies above 1 GHz. This work explores, through efficiency tests and electromagnetic simulations, the efficiency of this structure in attenuating noise in regions that have vias between the layers of the PCB. The EBG structure, in the PCB, acts as a band reject filter, which can be applied to multilayer boards in order to minimize electromagnetic interference between integrated circuits and thus improve the signal integrity of the entire system. Being an element with a wide operating bandwidth, it is possible to use the same structure in the development of an electronic project for a wide range of frequencies, without the need to change components, as it is needed in traditional designs. Through simulations of near field and analysis of the Eye Diagram, it is verified that the PCB that uses the EBG structure obtains a result in the signal to noise ratio (SNR) of 2 times superior and a reduction of 30% in the intensity of the electric field in the region around the vias and 5 times the magnetic field strength, when compared to a conventional structure. In the experimental tests, it is demonstrated that the radiation that propagates through the PCB and mcouples to the communication tracks is 4 times higher in the board that does not have the EBG structure. In short, both experimental and simulated results demonstrate a good agreement with each other, validating the adopted methodology. Key words: Electromagnetc Interference. Signal Integrity. Electromagnetic Compatibility