Los entornos industriales son hostiles en lo electromagnético. Variadores de frecuencia, motores de inducción, soldadura por arco y maniobra de relés generan transitorios rápidos capaces de superar los kilovoltios. Un PCB sin protección falla antes de tiempo o, peor, entrega lecturas erróneas que nadie cuestiona.
Plano de tierra continuo
El plano de tierra es la primera línea de defensa. En un PCB multicapa, dedicar la capa 2 completa a masa da un camino de retorno de baja impedancia y reduce el área de los bucles de corriente, que es lo que radia.
El error más frecuente es segmentar el plano entre la parte analógica y la digital sin un único punto de unión. Esa segmentación obliga a la corriente de retorno a rodear el corte, aumenta el área del bucle y termina inyectando en la señal analógica el ruido que se pretendía evitar.
Separación física de dominios
Conviene agrupar el circuito por tipo de señal:
- Potencia: conversores, relés, drivers de motor.
- Digital: microcontrolador, memoria, comunicaciones.
- Analógico: ADC, amplificadores de instrumentación, acondicionamiento de sensores.
Como punto de partida razonable, dejar 5 mm o más entre la zona de potencia y la analógica, con anillo de guarda conectado a masa. No es una norma, es una heurística: la distancia que hace falta depende de las tensiones en juego, de las velocidades de conmutación y de si hay aislamiento galvánico de por medio.
Filtrado en la entrada de alimentación
Para alimentación industrial de 24 V DC sobre riel DIN:
- Filtro LC en la entrada, con inductancia de modo común y condensadores X e Y.
- TVS bidireccional para transitorios, dimensionado contra IEC 61000-4-5.
- Varistor para supresión de picos de tensión.
Terminación de líneas rápidas
La necesidad de terminar una línea no depende de la frecuencia de reloj sino del tiempo de subida de la señal. Un flanco rápido tiene contenido espectral muy por encima de su frecuencia fundamental, y es ese contenido el que se refleja.
El criterio práctico compara la longitud de la pista con la distancia que recorre el flanco durante su tiempo de subida. Cuando la pista supera aproximadamente un sexto de esa distancia, se comporta como línea de transmisión y hay que terminarla. Aplicado a casos concretos: USB de alta velocidad, Ethernet y RGMII lo requieren siempre; un SPI a 10 o 20 MHz normalmente no, salvo pistas largas o flancos muy rápidos por driver sobredimensionado.
Desacoplamiento
Cada condensador de desacoplamiento debe quedar lo más cerca posible de los pines de alimentación del integrado. En un layout real eso suele significar entre 1 y 3 mm, y a veces la única forma de acercarlo es montarlo en la cara opuesta, justo debajo del pin, con vía propia.
Lo que importa no es la distancia en sí, sino el área del bucle que forman el condensador, la vía y el pin. La inductancia parásita de ese recorrido es la que anula el efecto del condensador a alta frecuencia. Una vía compartida entre varios condensadores echa a perder buena parte del trabajo.
Normas aplicables
Para certificación industrial, un equipo suele tener que superar:
- IEC 61000-4-2, descarga electrostática. Nivel 4: ±8 kV por contacto, ±15 kV al aire.
- IEC 61000-4-4, ráfagas de transitorios rápidos. Nivel 3: 2 kV a 5 kHz en puertos de alimentación.
- IEC 61000-4-5, sobretensiones. Nivel 3: ±2 kV línea a tierra, ±1 kV línea a línea.
- IEC 61000-4-6, perturbaciones conducidas por radiofrecuencia. Nivel 3: 10 V entre 150 kHz y 80 MHz.
Los niveles se eligen según el entorno de instalación declarado, así que conviene fijarlos antes de empezar el esquemático y no después de fallar el ensayo.
Conclusión
La protección EMI no se añade al final. Se decide en el esquemático, antes de abrir el layout, cuando todavía se puede elegir topología de alimentación, aislamiento y arquitectura de masas. Corregirla después casi siempre cuesta una revisión completa de la placa.