Indutância Mútua e Área de Loops em PCIs

loops

Na hora de fazer uma placa de circuito impresso, deve-se prestar atenção a algumas boas práticas. Uma delas é a de não permitir que se formem grandes áreas de loops fechados de circuitos em PCIs. Mas por quê?

 

A lei de Kirchhoff atesta que o fluxo de corrente em loops fechados possui sempre uma corrente igual no sentido de fornecimento ao circuito alimentado e de retorno. O loop fechado então forma um indutor de uma volta de fio, ou uma espira.

 

Vou mostrar como isso se aplica ao roteamento de circuitos em uma placa de circuito impresso.

 

Se um circuito é roteado de tal forma que a área do loop fique bem grande, então a indutância também será grande, conforme exibido na figura 1.

 

 Indutância grande
Figura 1 - Indutância grande

 

Pelo contrário, se houver o rigor de deixar o tamanho da área que compreende a ida e volta de corrente a um circuito eletrônico, a indutância será bem menor, conforme exibido na figura 2:

 

Indutância menor
Figura 2 - Indutância menor

 

O roteamento não ideal, com área de loop grande mostrada na primeira figura, causa outros problemas – a grande área produz campos magnéticos, que podem afetar outros circuitos externos, causando acoplamentos indesejados. Esse fenômeno de interferência eletromagnética pode causar a indução de correntes em outros circuitos e atrapalhar seu funcionamento. Ao mesmo tempo, uma área de loop grande permite que o circuito fique mais susceptível a ruído de fontes externas. Campos magnéticos externos podem também induzir correntes parasitas no circuito projetado.

 

 

Areá de Loops - Efeitos

 

O princípio básico de como essa interferência ocorre está ilustrado na figura 3  abaixo.

 

Interfência antre áreas de loops
Figura 3 - Interfência antre áreas de loops

 

A forma mais fácil de reduzir esse efeito seria a diminuição dos loops. Pensar em reduzir a frequência e amplitude da corrente do circuito que está causando a interferência pode ser impraticável ou não ser uma solução adequada, já que é muito melhor aumentar a imunidade a ruído do circuito que está sendo projetado. Em aviões, todos os circuitos são projetados pensando em compatibilidade eletromagnética. Mesmo assim, em momentos mais críticos, como o pouso e decolagem, é solicitado para que todos desliguem seus aparelhos eletrônicos, grandes fontes de ruídos eletromagnéticos. Claro que o distanciamento entre a fonte de ruído e o circuito a ser interferido também diminui os efeitos de perturbação do circuito.

 

 

Conclusão

 

Se as trilhas de sinais seguem próximas ao seu retorno de terra, como o recomendado para diminuir a emissão, então a área de loop resultante desse circuito é menor e menos susceptível esse circuito está à interferência eletromagnética externa – a entrada do circuito estará mais protegida contra correntes indesejadas induzidas externamente. A impedância de transferência entre dois circuitos, se tomados esses cuidados, é a menor possível.

 

Um exemplo prático seria pensar em um circuito de um microcontrolador controlando um driver de motor. O microcontrolador gera uma frequência PWM pro driver. Deve-se pensar nas trilhas desse circuito para que não interfiram em circuitos externos e para que o microcontrolador não esteja sujeito às correntes induzidas por fontes de ruído externas.

 

Outro exemplo prático é a placa multicamadas. Ela faz com que os loops de retorno se tornem muitíssimo pequenos. Se sempre que o layoutista, ao ter que encontrar um terra, leve o sinal para o layer de terra, ele evita que o circuito sofra interferências e que seja uma fonte de ruído para o ambiente externo à placa.

 

 

Referências

 

Analog Digital Conversion – Analog Devices: Hardware Design Techniques

Trilogy of Magnetics - Wurth Elektronik

EMC for Prodcut Designers

Conceitos básicos de Compatibilidade Eletromagnética

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Thiago Lima
Sou formado em Engenharia Elétrica na USP Sao Carlos, com mestrado em Engenharia Elétrica no Rochester Institute of Technology pelo CsF. Tenho 17 anos de experiência em projetos de circuitos eletrônicos. Escrevo regularmente para o Embarcados, adoro eventos sobre tecnologia, onde posso rever amigos e conhecer pessoas do ramo.

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Stéfano Andrade de Souza
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Stéfano Andrade

Muito bom o artigo! Seria evitar tais problemas, mais uma atribuição a malha de terra?