Estrutura EBG híbrida para mitigação de ruído em modo comum e SSN em PCBs multicamadas

Abstract

Resumo: O avanço das tecnologias e a crescente demanda por dispositivos com sistemas de comunicação em alta velocidade, que integram circuitos digitais e analógicos em placas de circuito impresso (PCBs) multicamadas, exigem o desenvolvimento de soluções eficientes para garantir a integridade de sinal (SI), a integridade de potência (PI) e a mitigação de interferências eletromagnéticas. Nesse contexto, esta tese propôs o projeto e a implementação de uma nova estrutura do tipo Electromagnetic Band Gap (EBG), denominada MS-EBG, com aplicações múltiplas, tais como a supressão de ruídos de Modo Comum (CM) e de Ruídos de Comutação Simultânea (SSN), além de preservar a integridade de potência. A estrutura MS-EBG foi desenvolvida com dimensões compactas de 20 × 20 mm e apresentou atenuação de até 40 dB na faixa de frequência de 1,82 a 18 GHz. O projeto envolveu modelagem utilizando circuitos equivalentes, inserção de Defected Ground Structures (DGS), simulações eletromagnéticas e validação experimental conforme o padrão IEEE P1597.1. Também foi analisada uma variante baseada no método da linha de transmissão (MB-EBG), com células de 15 × 15 mm, atuando entre 1,7 e 11 GHz. Os resultados demonstraram que a estrutura MS-EBG não compromete a comunicação diferencial em altas taxas de transmissão (até 15 Gbps), apresenta desempenho superior na rejeição do SSN em comparação com estudos da literatura, e reduz significativamente a radiação de campo próximo acima de 2 GHz. Ensaios de integridade de potência evidenciaram aumento da impedância em relação à placa de referência, porém dentro de limites aceitáveis para aplicações práticas. Conclui-se que a estrutura MS-EBG é uma solução eficiente para mitigar ruídos de Modo Comum e SSN em uma ampla faixa de frequência, com dimensões reduzidas frente às alternativas da literatura, mantendo simultaneamente a integridade do sinal e da potência. Como trabalhos futuros, recomenda-se a investigação de novas geometrias, integração da estrutura em sistemas reais, e o aprimoramento dos modelos matemáticos utilizados no projeto

Abstract: The advancement of technologies and the growing demand for devices with high-speed communication systems—integrating digital and analog circuits on multilayer printed circuit boards (PCBs)—require the development of efficient solutions to ensure signal integrity (SI), power integrity (PI), and the mitigation of electromagnetic interference. In this context, this thesis proposed the design and implementation of a new Electromagnetic Band Gap (EBG) structure, named MS-EBG, with multiple applications, such as the suppression of Common Mode (CM) noise and Simultaneous Switching Noise (SSN), while preserving power integrity. The MS-EBG structure was developed with compact dimensions of 20 × 20 mm and demonstrated attenuation of up to 40 dB within the frequency range of 1.82 to 18 GHz. The design involved modeling using equivalent circuits, the inclusion of Defected Ground Structures (DGS), electromagnetic simulations, and experimental validation in accordance with the IEEE P1597.1 standard. A variant based on the transmission line method (MB-EBG), with 15 × 15 mm unit cells operating between 1.7 and 11 GHz, was also analyzed. The results showed that the MS-EBG structure does not compromise differential communication at high data rates (up to 15 Gbps), exhibits superior SSN rejection performance compared to literature studies, and significantly reduces near-field radiation above 2 GHz. Power integrity tests revealed an increase in impedance compared to the reference board, but within acceptable limits for practical applications. It is concluded that the MS-EBG structure is an efficient solution for mitigating Common Mode and SSN noise over a wide frequency range, with reduced dimensions compared to literature alternatives, while simultaneously maintaining both signal and power integrity. As future work, it is recommended to investigate new geometries, integrate the structure into real systems, and improve the mathematical models used in the design process