2. Caracterização e diagnóstico de casos EMC

Este capítulo ensina a transformar um sintoma em um problema testável. Ele apresenta o modelo fonte–caminho–vítima e encaminha as derivações aos capítulos especializados, evitando repetir teoria de linhas, antenas, crosstalk, blindagem e projeto de sistemas.

2.1 Objetivos de aprendizagem

Ao final, você deve ser capaz de:

definir o sintoma e o critério de falha sem ambiguidade;
descrever fonte, caminho e vítima por grandezas mensuráveis;
distinguir acoplamento conduzido, capacitivo, indutivo e radiado;
separar modo diferencial (DM), modo comum (CM) e conversão de modo;
propor hipóteses concorrentes e uma medição que as discrimine;
demonstrar causalidade por previsão, intervenção e repetição;
registrar margem, incerteza e limites do diagnóstico.

2.2 O problema EMC como sistema

Uma interferência exige simultaneamente três elementos:

\boxed{\text{fonte}\longrightarrow\text{caminho de acoplamento}\longrightarrow\text{vítima}}

Fonte: produz energia indesejada na banda relevante.
Caminho: transporta ou converte essa energia.
Vítima: responde à perturbação e apresenta degradação funcional.

Mitigar qualquer elemento pode resolver o caso, mas isso não significa que interromper o caminho seja sempre a melhor solução. A decisão depende de eficácia, custo, segurança, robustez e possibilidade de alterar cada elemento.

Para um sistema aproximadamente linear e invariante no tempo,

$$ Y(f)=S(f)H_c(f)H_v(f), $$

em que $S(f)$ descreve a fonte, $H_c(f)$ o caminho e $H_v(f)$ a resposta da vítima. Em transientes, não linearidades ou saturação, esse produto é apenas um modelo inicial: é preciso trabalhar no tempo e incluir os estados do equipamento.

2.2.1 Correlação não é causalidade

Um pico no espectro na frequência do clock é uma pista, não uma prova. Uma conclusão forte combina:

previsão: a hipótese antecipa frequência, polarização, dependência geométrica ou estado operacional;
intervenção: uma mudança seletiva no elemento previsto altera o sintoma;
repetição: o efeito reaparece ao restaurar a condição original;
controle: configuração, cabos, instrumentos e software permanecem comparáveis.

2.3 Ficha mínima de caracterização

Antes de escolher filtros ou blindagem, preencha a ficha. Campos desconhecidos tornam-se itens de medição, não palpites.

Elemento	O que registrar	Grandezas típicas
Sintoma	função afetada, severidade, duração, taxa de ocorrência	erro, reset, BER, desvio, critério A/B/C
Estado	modos da fonte e da vítima, carga, firmware, cabos	tensão, corrente, potência, tráfego, temperatura
Fonte	forma de onda, repetição, bordas, espectro, impedância	$V$, $I$, $dv/dt$, $di/dt$, $f$, $t_r$, $Z_s(f)$
Caminho	condutores, retornos, parasitas, distância, orientação	$Z(f)$, $C_m$, $M$, função de transferência
Vítima	porta de entrada, banda, limiar e modo de falha	$Z_{in}(f)$, ganho, limiar, janela temporal
Evidência	instrumento, detector, banda e geometria	RBW/VBW, tempo de aquisição, posição, incerteza
Margem	diferença entre perturbação e limite	dB, V, A, V/m, A/m

Uma boa descrição é operacional: “o ADC excede 5 LSB em 18% das conversões quando o buck entra em burst mode” é melhor que “o sensor fica ruidoso”.

2.4 Caracterização da fonte

2.4.1 Domínio do tempo

Registre amplitude, duração, repetição, duty cycle, tempo de subida e simultaneidade com o sintoma. Bordas rápidas, não apenas a frequência fundamental, definem a banda excitada. Como estimativa de ordem de grandeza,

f_{\text{knee}}\approx\frac{0{,}35}{t_r},

desde que se declare a convenção usada para $t_r$ e para a largura de banda. O capítulo Fontes de ruído desenvolve fontes naturais, chaveamento, arcos e transmissores; Componentes não ideais explica como parasitas modificam as bordas.

2.4.2 Domínio da frequência

Em fontes periódicas, procure fundamental, harmônicos, bandas laterais e modulação pelo estado de carga. Em ruído aleatório ou transientes, registre densidade espectral, distribuição temporal e condições de disparo. Não compare diretamente pico temporal, valor RMS, espectro por bin e leitura de detector quase-pico: são grandezas diferentes.

2.4.3 Impedância e modo

A mesma tensão de circuito aberto pode injetar correntes muito diferentes. Caracterize $Z_s(f)$ e o retorno. Para dois condutores, adotando uma convenção simétrica,

I_{CM}=\frac{I_1+I_2}{2},\qquad I_{DM}=\frac{I_1-I_2}{2},

I_1=I_{CM}+I_{DM},\qquad I_2=I_{CM}-I_{DM}.

O fator $1/2$ é uma convenção e deve ser mantido em todo o cálculo. Assimetrias convertem DM em CM; cabos podem então irradiar mesmo que o ruído tenha começado como diferencial. A decomposição e a medição são tratadas em Emissões conduzidas e Emissões radiadas.

2.5 Caracterização do caminho

Mais de um caminho pode coexistir. A classificação indica qual variável alterar primeiro.

Mecanismo	Modelo inicial	Evidência que favorece a hipótese	Intervenção discriminante
impedância comum	$V_n=I_sZ_{comum}$	sintoma acompanha corrente de carga	separar ou reduzir o retorno comum
capacitivo	$I_c=C_m\,dv/dt$	forte efeito de proximidade e impedância da vítima	reduzir $dv/dt$, $C_m$ ou $Z_{in}$
indutivo	$V_m=M\,di/dt$	efeito de área/orientação dos loops	reduzir loop, $di/dt$ ou $M$
linha de transmissão	reflexões por descontinuidade de $Z_0$	efeito de comprimento e terminação	terminar ou alterar comprimento controladamente
radiado	antena emissora + propagação + antena receptora	efeito de distância, polarização e cabo	reduzir corrente CM ou eficiência da antena
conversão de modo	desbalanceamento DM $\leftrightarrow$ CM	assimetria em filtro, conector ou retorno	restaurar simetria e medir os dois modos

Os modelos completos pertencem a:

Linhas de transmissão: propagação, reflexões e terminações;
Antenas: campos, ganho, abertura e regiões de campo;
Crosstalk: acoplamentos capacitivo e indutivo, NEXT e FEXT;
Blindagem: reflexão, absorção, aberturas, cabos e conectores.

2.5.1 Campo próximo e campo distante

$r\approx\lambda/(2\pi)$ é uma referência útil para a transição entre termos reativos e radiativos de uma fonte pequena, não uma fronteira universal. Para uma antena de maior dimensão $D$, a condição de campo distante também depende de $2D^2/\lambda$. Registre frequência, maior dimensão, distância e natureza da fonte antes de aplicar relações de onda plana.

2.6 Caracterização da vítima

A vítima não é apenas “o equipamento”. Localize a porta física e a etapa funcional em que a energia indesejada se torna erro.

2.6.1 Curva de suscetibilidade

Meça ou estime o limiar de falha em função de frequência, amplitude, modulação, polarização, porta e estado operacional. Uma única amplitude de ensaio não descreve a vítima inteira. Ressonâncias, proteção não linear, filtros e janelas de amostragem podem produzir regiões estreitas de alta suscetibilidade.

Para uma exigência $A_{req}$ e um limiar de falha $A_{fail}$, ambos na mesma grandeza e condição,

M_{imunidade}=20\log_{10}\!\left(\frac{A_{fail}}{A_{req}}\right).

Margem positiva indica que o limiar está acima do nível requerido. Inclua incerteza e variabilidade; uma margem nominal pequena não demonstra robustez.

2.6.2 Critério funcional

Defina antes do ensaio se são aceitáveis degradação temporária, autorrecuperação ou perda de dados. Os critérios e níveis vêm da norma de produto e do plano de ensaio aplicáveis; veja Normas e ensaios. Não transforme um exemplo didático em limite regulatório.

2.7 Método de diagnóstico em sete passos

2.7.1 Passo 1 — Tornar o sintoma reproduzível

Fixe configuração, cabos, carga, software, temperatura e sequência. Registre taxa-base e critério objetivo.

2.7.2 Passo 2 — Construir a linha do tempo

Correlacione evento da fonte, grandeza acoplada e falha. Use disparo comum quando possível. Cuidado com atrasos de firmware e mecanismos de proteção.

2.7.3 Passo 3 — Formular hipóteses concorrentes

Cada hipótese deve nomear fonte, caminho, porta da vítima e uma previsão exclusiva. Exemplo: “corrente CM do buck retorna pela blindagem do cabo e entra no ADC pelo conector” é testável; “é EMI” não é.

2.7.4 Passo 4 — Ordenar por evidência e custo

Priorize hipóteses que explicam mais observações e que possam ser testadas com alteração reversível e segura.

2.7.5 Passo 5 — Medir sem perturbar excessivamente

Declare largura de banda, carga da ponta, piso de ruído, detector e posição. Uma ponta longa de osciloscópio ou uma sonda de campo próxima demais pode criar o resultado que se pretendia observar.

2.7.6 Passo 6 — Alterar uma variável por vez

Exemplos: ferrite temporário no cabo, terminação controlada, redução de slew rate, placa metálica provisória, rotação de loop ou alimentação isolada. A intervenção deve selecionar um mecanismo, não apenas “melhorar tudo”.

2.7.7 Passo 7 — Confirmar e documentar margem

Restaure a condição original, reproduza a falha, aplique novamente a correção e repita em unidades e estados representativos. Registre antes/depois, incerteza, efeitos colaterais e margem.

2.7.8 Matriz de hipóteses

Hipótese	Predição	Medição	Confirma se	Refuta se
ripple DM na entrada	pico acompanha $f_{sw}$ nas duas linhas em oposição	LISN ou duas sondas de corrente	componente DM acompanha o sintoma	só CM muda
cabo como antena CM	emissão muda com posição/comprimento	clamp de corrente + variação geométrica	campo e $I_{CM}$ variam juntos	$I_{CM}$ permanece no piso
crosstalk local	erro cresce com $dv/dt$, $di/dt$ e paralelismo	sonda local + alteração de borda	resposta segue geometria/borda	alteração seletiva não tem efeito
descontinuidade de retorno	problema coincide com troca de plano/via	TDR ou inspeção de retorno	stitching próximo reduz conversão	caminho de retorno já é contínuo
ressonância da PDN	erro coincide com pico de $\|Z_{PDN}\|$	VNA/injeção de impedância	amortecimento desloca/reduz ambos	pico e falha não se correlacionam

2.8 Casos integradores

2.8.1 Buck interfere em sensor analógico

Sintoma: erro do ADC aparece apenas sob carga leve.

Teste discriminante: medir simultaneamente o nó de comutação, a alimentação do sensor e o erro; decompor a corrente no cabo em CM/DM; variar slew rate sem mudar $f_{sw}$; aproximar uma sonda magnética do loop quente.

Encaminhamento: fonte no cap. 3, componentes e parasitas no cap. 6, condução no cap. 10 e projeto sistêmico no cap. 16.

2.8.2 Clock digital causa emissão em cabo

Sintoma: pico radiado em harmônico do clock muda quando o cabo é movido.

Hipótese principal: descontinuidade de retorno converte corrente DM em CM; o cabo é a antena eficiente.

Teste discriminante: medir corrente CM no cabo; reduzir temporariamente o slew rate; acrescentar conexão de chassi de baixa indutância no conector; comparar polarização e posição.

Armadilha: blindar apenas a trilha do clock pode não alterar a corrente de modo comum que efetivamente irradia.

2.8.3 ESD na carcaça reinicia o equipamento

Sintoma: reset durante descarga, sem dano permanente.

Teste discriminante: monitorar pino de reset e alimentação com técnica apropriada; mapear corrente na carcaça; variar o ponto de descarga e o fechamento das juntas; injetar perturbação controlada nas portas suspeitas.

Segurança: ensaios de ESD exigem arranjo, gerador, calibração e proteção definidos. Consulte o cap. 4 e modele transientes conforme o cap. 13.

2.8.4 Reflexão confundida com crosstalk

Sintoma: overshoot em uma entrada digital após mudança de comprimento da trilha.

Teste discriminante: observar dependência com comprimento e terminação; silenciar a linha agressora; medir referência local da vítima. Use o cap. 7 para reflexões e o cap. 9 para acoplamento entre linhas.

2.9 Escolha da mitigação

Depois de identificar o mecanismo, escolha a intervenção mais próxima da causa e verifique efeitos colaterais.

Atuação	Exemplos	Possíveis custos
fonte	reduzir borda, loop quente, amplitude ou corrente CM	dissipação, temporização, eficiência
caminho	controlar retorno, separar, filtrar, terminar, blindar	área, peso, ressonância, corrente de fuga
vítima	filtrar porta, aumentar histerese, proteger, corrigir software	latência, banda, capacitância, mascaramento de falha

As técnicas são reunidas em Minimização de interferências, detalhadas em Projeto de PCBs e integradas em Projeto de sistemas. A implementação e a simulação prática aparecem em KiCad.

2.10 Exercícios de consolidação

E.1 Um conversor de 500 kHz causa erro em um termopar somente quando o cabo passa perto do indutor. Escreva três hipóteses completas e uma medição discriminante para cada uma.

E.2 Duas correntes medidas são $I_1=32\,\text{mA}$ e $I_2=-28\,\text{mA}$. Calcule $I_{CM}$ e $I_{DM}$ pela convenção deste capítulo e reconstrua $I_1$ e $I_2$.

E.3 Um equipamento falha a $3\,\text{V/m}$ e deve operar a $10\,\text{V/m}$. Calcule a margem nominal e explique por que o valor sozinho não encerra a avaliação.

E.4 Liste as evidências que distinguem reflexão, crosstalk e ground bounce em um sinal digital com overshoot.

E.5 Construa uma ficha de caracterização para um reset durante ESD, marcando como “desconhecido” tudo que exigiria medição.

E.6 Explique por que multiplicar o pico temporal de corrente ESD por uma impedância conhecida apenas em 100 MHz não determina a tensão transitória na vítima.

E.7 Um pico radiado diminui 12 dB com ferrite no cabo, mas a corrente DM não muda. Qual hipótese ganhou força? Que repetição ou controle ainda é necessário?

2.10.1 Respostas orientativas

E.2 $I_{CM}=2\,\text{mA}$ e $I_{DM}=30\,\text{mA}$; portanto $I_1=2+30=32\,\text{mA}$ e $I_2=2-30=-28\,\text{mA}$.

E.3 $20\log_{10}(3/10)=-10{,}46\,\text{dB}$. A margem é negativa; ainda se devem declarar modulação, banda, polarização, critério funcional, incerteza e estado operacional.

E.6 Pico temporal e impedância fasorial monofrequencial pertencem a descrições diferentes. É necessário obter $I(f)$ e $Z(f)$ na banda relevante e calcular $v(t)=\mathcal{F}^{-1}\{I(f)Z(f)\}$, incluindo não linearidades e a resposta da vítima.

E.7 Ganha força a hipótese de emissão por corrente CM no cabo. É preciso medir $I_{CM}$ antes/depois, restaurar a condição original, repetir a intervenção e controlar posição do cabo, estado do equipamento e configuração de medição.

2.11 Laboratório — pontuação de hipóteses

Pontuação não prova causalidade, mas torna explícita a atualização das hipóteses. Use pesos definidos antes do teste e preserve resultados que contradigam a hipótese favorita.

PYTHON
import numpy as np
hypotheses = ['DM pela alimentação', 'CM pelo cabo', 'crosstalk local']
tests = ['muda com LISN/filtro DM', 'muda com ferrite no cabo',
         'muda com orientação/sonda local']
# linhas: hipóteses; colunas: previsão de resposta (0 a 1)
prediction = np.array([[.9, .2, .3], [.2, .9, .5], [.2, .3, .9]])
observed = np.array([.1, .9, .7])
error = np.sum((prediction-observed)**2, axis=1)
score = np.exp(-error)
score /= score.sum()
for h, s in sorted(zip(hypotheses, score), key=lambda x: -x[1]):
    print(f'{h:24s}: {s:.3f}')
Output:CM pelo cabo            : 0.503
crosstalk local         : 0.351
DM pela alimentação     : 0.146

Repita com outros pesos e inclua uma hipótese “mecanismo não modelado”. A etapa decisiva continua sendo intervenção seletiva, restauração e repetição.

2.12 Entrega recomendada: relatório de diagnóstico

Um relatório curto e auditável deve conter:

sintoma, critério de falha e configuração;
diagrama fonte–caminho–vítima;
hipóteses e previsões;
instrumentos, banda, detector, geometria e incerteza;
resultados antes/depois;
hipótese confirmada e alternativas ainda abertas;
correção, efeitos colaterais e margem;
condições para repetir o ensaio.

Esse relatório é a ponte entre a caracterização introdutória, os mecanismos dos capítulos 6–12 e a síntese dos capítulos 13–16. Ele evita duas falhas comuns: aplicar uma solução por hábito e confundir melhora ocasional com compreensão do mecanismo.