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Traducción de Nota de Aplicación AVR040: Consideraciones de diseño de CEM (Compatibilidad Electromagnética)

SµCCh Hecho en Bolivia

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AVR040: Consideraciones de diseño CEM (Compatibilidad

Electromagnética)

Nota del Autor.- Este documento es una traducción no oficial del documento AVR040 de ATMEL CORPORATION Ha sido realizada por consentimiento y criterio del autor, los errores de traducción no tienen que ver

con ATMEL CORPORATION. Sugerencias y comentarios a: [email protected]

Autor’s Note.- This document is a non-oficial translation from the documment AVR040 of ATMEL

CORPORATION It has been made by the autor’s consideration, translation mistakes have nothing to do

with ATMEL CORPORATION. Feedback me at: [email protected]

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Esta Nota de aplicación cubre los más conocidos problemas de CEM que los diseñadores puedan encontrar cuando usan un microcontrolador. Sera una breve discusión de los fenómenos varios. La literatura de referencia abarca el diseño CEM con más detalles, y para diseñadores que van a construir productos que necesitan ser compatibles con CEM, Un estudio más a fondo es altamente recomendado. Un buen diseño de CME requiere más conocimiento del que puede ser colocado en una corta nota de aplicación. A diferencia de muchas otras dificultades de diseño, CEM no es un área donde sea posible listar un conjunto de reglas. El cumplimiento de la CEM no puede ser garantizado por el diseño; Este debe ser probado. Se recomienda a lectores no familiarizados con el diseño de CEM leer este documento más de una vez, dado que algunos de los temas descritos al principio de este documento son más fáciles si el lector ya ha leído el resto del documento.

1. INTRODUCCION La Compatibilidad Electromagnética es un tema que la mayoría de los diseñadores no tuvieron que preocuparse hace algunos años atrás. Hoy en día, cada diseñador que coloca un producto en el mercado global ha considerado esto. Hay dos razones principales:

El entorno electromagnético se torna cada vez más difícil. Transmisiones de radio a Alta frecuencia, como teléfonos móviles, son encontradas en todas partes. Más y más sistemas están usando fuentes de alimentación conmutadas, y el número total de aplicaciones electrónicas se está incrementando Cada año.

Los circuitos electrónicos se están convirtiendo cada vez más sensibles. Los voltajes de alimentación están disminuyendo, reduciendo el margen de ruido de los pines de entrada. La geometría de los circuitos se vuelven cada vez más pequeñas, reduciendo la cantidad de ruido para alterar los valores lógicos de las señales.

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Desde el punto de vista del diseñador, Los fenómenos de CEM tienen que ser considerados de dos diferentes maneras:

Como el entorno podría afectar al diseño (Inmunidad).

Como el diseño podría afectar al entorno (Emisión).

Tradicionalmente, las regulaciones gubernamentales solo han estado en el lado de la Emisión: Un dispositivo electrónico no está permitido de emitir energía de radiofrecuencia mayor a una cierta cantidad para evitar perturbar la radio comunicación o la operación de otros equipos electrónicos. La mayoría de los países en el mundo tienen regulaciones en este tema. Demandas adicionales acerca de inmunidad al ruido eran encontradas anteriormente para aplicaciones Especiales, como equipo médico, aviónica y aplicaciones militares. Desde 1995, Europa introdujo normas sobre inmunidad al ruido para todos los productos electrónicos, conocidas como la directiva CEM (EMC directive->autor). El propósito de esta directiva es:

Para asegurarse que ningún producto emita o irradie disturbios que puedan interferir con la función de otro equipo.

Para asegurarse que todos los productos resistan las perturbaciones presentes en su entorno de operación.

Al mismo tiempo, La aplicación de todos estos requisitos de CEM fue reforzada: todo producto hecho o importado a Europa debe demostrar cumplir en su totalidad los requisitos de emisión como de inmunidad antes de poder ser introducido en el mercado. Países en otras partes del mundo también están a punto de introducir requisitos legales similares. Los límites aceptables de niveles de emisión e inmunidad para diferentes clases de productos y ambientes son dados en varios estándares internacionales. Una descripción más detallada de estos se encuentra en la literatura de referencia. La directiva CEM se aplica a productos terminados, pero no a componentes. Como un componente no podrá trabajar sin estar colocado en un sistema, las demandas se ponen sobre los sistemas finalizados. El hecho de como los problemas son resueltos internamente, es dejado al diseñador. Como resultado de esto, los procedimientos de prueba requeridos para el marcado-CE (CE-marking->autor) son adecuados para la prueba de productos finalizados, Pero no pueden ser usados directamente para componentes de prueba como microcontroladores. Se aplica lo mismo para procedimientos de prueba requeridos para la aprobación de la FCC. Las placas de prueba y los componentes montados durante la prueba influirán en los datos de prueba de CEM para los componentes. Estos resultados deberán considerarse solo como informativos. Por otra parte, existen estándares de prueba (militar, automotriz y otros) que son hechos directamente a los componentes. Estos estándares especifican placas de pruebas estandarizadas para asegurar que las



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mediciones sobre diferentes fabricantes de componentes puedan ser comparadas. Estas pruebas no son un requisito de acuerdo a la directiva de CEM.

2. FENOMENOS Y PRUEBA DE CEM.

A diferencia de muchos otros problemas de diseño (por ejemplo, cálculos de energía de alimentación), no hay reglas exactas para el diseño de CEM como al decir, "Hazlo de este modo y funcionará". En lugar de eso, hay muchas sugerencias de diseño como al decir, "Hazlo como esto y podría funcionar", o "Esto es más funcional, pero a un costo mayor." Para la mayoría de las aplicaciones, no es posible demostrar el cumplimiento de la CEM sin un laboratorio real. Algunos nuevos paquetes CAD (Diseño asistido por computadora->autor) incluyen simulaciones de CEM. Esta puede ser una buena ayuda de diseño, ahorrando algunos viajes extras al laboratorio de prueba, pero no pueden reemplazar el cumplimiento final de la prueba. Este capítulo dará una breve introducción a los fenómenos de CEM más comunes encontrados en diseños de sistemas MCU (microcontrolados->autor). Para hacer más fácil de entender los diferentes fenómenos, los fenómenos y las pruebas usadas para emularlos están descritos juntos.

2.1 DES (prueba de inmunidad).

DES (descarga electrostática - ESD en ingles->autor) es un fenómeno que la mayoría de las personas ha experimentado. Esto es lo que sucede si usted siente un pequeño choque eléctrico cuando toca el sumidero de su cocina u otro objeto puesto a tierra (aterrado->autor). Lo que pasa es que su cuerpo ha sido cargado con una pequeña carga electrostática (fácilmente lograda al caminar sobre fibras sintéticas o alfombras). Esta carga es liberada cuando usted toca un objeto con una carga diferente o un objeto conectado a tierra. De hecho para que un humano sienta la descarga, el voltaje debe ser alrededor de 4KV o más, y no es difícil alcanzar decenas de KV.

Un modo simple de modelar este fenómeno es usar un capacitor que pueda retener la misma carga que el cuerpo y un resistor en serie que liberará esta carga del mismo modo que el cuerpo lo hace. La Figura 2-1 muestra un esquema de principio de esta configuración. Cs es el capacitor de almacenamiento que equivale a la capacitancia del cuerpo humano, Rd es la resistencia de descarga que equivale a la resistencia del cuerpo humano. Vs es una fuente de alimentación de alto voltaje, y RC la resistencia en serie de esta fuente de alimentación. Cuando el switch S es conectado a RD, el capacitor se descarga a través de RD y el dispositivo bajo prueba, conectado a o puesto cerca a la



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punta de descarga. El valor de Rc es de un valor no práctico para qué cantidad de energía es almacenada en el capacitor o para cuanta de esta es transferida a el dispositivo bajo prueba. Los circuitos integrados son probados usualmente de acuerdo al MILSTD-883. Aquí Rc es de 1 - 10 MΩ, Rd es 1.5 KΩ y Cs es 100pf. Esto es también llamado modelo del cuerpo humano, el cual trata de emular la CEM que un Circuito integrado puede experimentar como resultado de la manipulación manual durante la producción de la placa. El voltaje de prueba Vs para manejar un dispositivo CMOS tradicional esperado es de ±2kV. Los nuevos dispositivos como microcontradores AVR son a menudo calificados a ±4 kV o más. Otro modelo, el modelo máquina, trata de emular la CEM que un circuito integrado experimentará desde manipuladores automáticos. Aquí Cs es dos veces más grande, 200pf. La corriente limitando el resistor Rd es cero (!), pero en lugar de este puede ser insertado un inductor de hasta 500 nH. Rc es 100 MΩ. En este modelo, el tiempo de subida de corriente es mucho más alto, y muchos dispositivos fallan a voltajes mayores que ±500V. El cumplimiento de la CEM de acuerdo a la directiva CEM está basada en IEC 1000-4-2. Este estándar especifica que un modelo de cuerpo humano que trata de emular la CEM de un producto se experimentara como resultado de uso normal. Por lo tanto los valores de componentes son ligeramente más difíciles de manejar aquí que en MIL-STD-883: RC es 100 MΩ, Rd es 330 y Cs es 150 pF. Esto significa que un producto construido por circuitos en el rango de 4KV no necesariamente pasan la IEC 1000-4-2 a 4 kV sin añadir algún tipo de protección externa. Otra importante diferencia aquí: MIL-STD-883 solo requiere que el dispositivo no esté dañado por la prueba. La exigencia de la directiva de la CEM es más fuerte: el producto deberá seguir funcionando como se pretendía, sin ser perturbado por el pulso de ESD (Descarga Electroestática ->autor).Este requerimiento es difícil, ya que una (Descarga Electroestática ->autor) DES transitoria de alto voltaje sobre un pin de entrada puede fácilmente cambiar el valor lógico de un pin. Esto significa que el diseñador del sistema basado en microcontrolador debe de igual modo diseñar el hardware para asegurar que la DES transitoria no alcance los pines de E/S, o escribir software que detecte y manipule estas lecturas incorrectas.

2.2 Ráfaga de transitorios rápidos (prueba de inmunidad).

Las ráfagas de transitorios rápidos son generalmente un fenómeno de la línea de alimentación, pero pueden ser un problema sobre líneas de señales debido al acoplamiento inductivo o capacitivo. Esto puede ocurrir cuando un switch de energía o un relé con una carga inductiva es operado: Cuando la corriente es desconectada, una serie de pequeñas chispas colocarán picos de alto voltaje en la línea de alimentación.



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La Figura 2-2 muestra la ráfaga o explosión del pulso de transitorios rápidos usada para probar la CEM. La Figura 2-3 muestra un acercamiento a la ráfaga. Note que la duración del pulso es de solo 50 ns, esto es mucho más pequeño que lo que indica la figura. Vea IEC 1000-4-4 para detalles de los pulsos y la configuración de prueba. Los voltajes de prueba sobre la fuente de alimentación son típicamente de 1 kV para ambientes protegidos, 2 kV para ambientes industriales, la prueba transitoria para ambientes industriales severos pueden requerir hasta 4 kV. Los voltajes de prueba sobre líneas E/S (entrada/salida->autor) son la mitad de los valores usados para líneas de alimentación. Sobre una línea E/S, el pulso puede parecer a un pulso de DES, pero hay algunas diferencias muy importantes:

La energía de un solo pulso transitorio puede ser mayor que un pulso de DES al mismo voltaje, dependiendo en la ruta de acoplamiento en el sistema.

La prueba de DES es realizada solo una o pocas veces, con algunos segundos de tiempo de refresque entre cada pulso. El pulso transitorio rápido es repetido a 5 kHz (2.5 kHz @ 4KV) por 15 ms: este es un pulso. el pulso es repetido cada 300 ms.



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2.3 Prueba de inmunidad a sobre-tensiones.

Esta es la madre de todas las pruebas de transitorios. Trata de emular que pasa cuando un rayo golpea (cerca) de la red de alimentación, y la energía implicada es alta. La capacitancia de la energía del capacitor de almacenamiento es de hasta 20 µF, 200,000 veces mayor que 100 pF usado en una prueba de DES. Esta configuración de prueba no es idéntica a la mostrada en la figura 2-1, unas cuantas conformaciones de pulsos son añadidas, pero el principio básico es el mismo. Vea IEC 1000-4-5 para detalles de esta configuración de prueba. La prueba de sobretensión es realizada solo sobre las líneas de alimentación, así que esto es típicamente un asunto de diseño de suministro de alimentación. Sin embargo, note que si el diseño es hecho para operar sobre alimentación de CD (Corriente directa->autor), el diseñador debe seguir teniendo que incorporar protectores de sobretensión sobre la entrada CD. La protección de una fuente de alimentación comercial puede estar limitada a solo protección de la misma fuente de alimentación, resultando en fuertes sobretensiones sobre su salida CD. No se confunda por las similitudes entre la prueba de 4kV DES, una ráfaga de transitorios rápidos de 4kV y sobretensión de 4kv. Son los mismos voltajes, pero la energía detrás de ellos es totalmente distinta. Dejar caer una pequeña roca sobre su pie puede doler, pero usted seguirá siendo capaz de caminar. Dejar caer una roca grande desde la misma altura es más probable que le cause daños severos a su pie. Hacer esto 250 veces por segundo reducirá el tamaño de su zapato permanentemente, Cuando la caída aumenta su intensidad, usted preferirá estar en otra parte.

2.4 Prueba de emisión de RF. Las emisiones de radio frecuencia o ruido están entre los problemas más difíciles de manejar cuando se está diseñando con circuitos digitales rápidos. Los problemas no solo ocurren como ruido irradiado al mundo exterior. El hecho de manipular ruidos internamente en el sistema es igualmente importante. Estas pruebas se dividen en dos tipos diferentes: emisión irradiada y emisión conducida. Esta división es principalmente hecha para hacer las pruebas prácticas de implementar, porque la emisión conducida domina en el rango de baja frecuencia, mientras que la emisión irradiada domina en el rango de alta frecuencia. La emisión irradiada es irradiada directamente desde el sistema y sus cables señal/alimentación. Esto es radiación de alta frecuencia, como un PCB normal es muy pequeña como para ser una buena antena para bajas frecuencias La directiva de CEM requiere mediciones en el rango de 30 Mhz a 1 Ghz. Las reglas de la FCC Americana requieren mediciones a frecuencias más altas para ciertas aplicaciones. Las frecuencias más bajas son medidas directamente sobre los cables. Las frecuencias altas son generadas típicamente por armónicos de osciladores digitales y pines de E/S (Entrada/Salida-> autor). Note que la frecuencia superior generada por un circuito digital no está



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limitada por la frecuencia de reloj del dispositivo, pero si por los tiempos de cambio de las señales. Por lo tanto reduciendo la velocidad del reloj del sistema no reducirá el ancho de banda del ruido, pero reducirá la potencia irradiada a altas frecuencias. (Reduciendo el número de transiciones de ruido reducirá la energía total del ruido.) Las emisiones conducidas son medidas sobre cables. La directiva CEM requiere mediciones en el rango de 150 kHz a 30 MHz. Los mismos estándares requieren mediciones abajo de 9 kHz. El ruido en este rango de frecuencia es típicamente de interruptores de modo de fuentes de alimentación y de las frecuencias base de osciladores digitales y pines E/S. Cables largos por supuesto, actúan como antenas para ambas señales de frecuencias altas y bajas. Pero si las señales de LF (Baja Frecuencia->autor) son los suficientemente amortiguadas para estar por debajo de los límites de la prueba de emisión conducida, la radiación del cable será insignificante. Es por lo tanto innecesario medir emisión irradiada en un rango menor que 30 Mhz. Similarmente, el ruido de HF (Alta frecuencia->autor) en los cables se mostrará en la prueba de emisión irradiada. Si el ruido es suficientemente amortiguado para estar debajo del límite para las emisiones irradiadas, el ruido conducido en el cable será insignificante. Las configuraciones de prueba y límites para aplicaciones distintas son dadas en varios estándares emitidos por el Comité Internacional Especializado en Radio Interferencia (CISPR). CISPR 22, por ejemplo, abarca la información de tecnología de equipamiento.

2.5 Prueba de inmunidad de RF. Esta prueba está hecha para verificar que un producto puede operar como se pretendía incluso si está expuesto a un fuerte radio transmisor. Este consiente que los campos de RF al que un sistema podría estar expuesto pueden ser más altos que los limites requeridos para la aprobación en la prueba de CEM. El límite de prueba para campos de RF conducida es 3V/m para aplicaciones domésticas. Un teléfono celular GSM transmitiendo a máximo potencia producirá este fuerte campo a una distancia de 3 metros. Si el teléfono celular está más cerca, el campo de fuerza será más alto. Si el uso previsto del sistema puede incluir la operación mientras alguien está usando un teléfono celular cerca, Es por lo tanto una buena idea probar el sistema para niveles de inmunidad más altos que los niveles mínimos requeridos. Para aplicaciones industriales se requiere usualmente 10V/m o más. Usualmente los sistemas digitales no experimentan problemas con esta prueba, pero las partes analógicas del sistema podrían. Como para emisión de RF, las pruebas de inmunidad de RF están divididas en dos diferentes tipos: emisiones irradiadas y conducidas. Las configuraciones de prueba para perturbaciones irradiadas están dadas en IEC 1000-4-3; para perturbaciones conducidas la configuración de prueba está dada en IEC 1000-4-6.



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3. TRATAR CON LOS FENÓMENOS DE CEM.

Para la mayoría de ingenieros, el diseño de CEM es relativamente un tema nuevo. Antes que Europa introdujera la directiva CEM, era posible para una empresa construir y vender sus productos sin poner mucha atención al problema. Siempre que los productos funcionen como se pretendía y no interfieran con estaciones de radiodifusión, todo estaba básicamente bien. Una transición de 3 años desde el tiempo que la directiva fue efectiva en 1992 hasta 1995 en que fue requerida, no cambió mucho esto. En muchas empresas, el verdadero trabajo no empezó hasta que no hubo opción. Y entonces, la única opción fue la difícil, el camino costoso: tomar el producto existente, el cual quizá fue diseñado sin precauciones acerca de la CEM, y tratar de añadir los filtros necesarios, protectores, protecciones y lo que fuese para hacerlos compatibles con CEM. Este es el peor enfoque posible; El costo es alto y los resultados son generalmente pobres. A la hora de diseñar un nuevo producto, es muy importante empezar pensando en la CEM desde el principio. Esto cuando todas las soluciones de bajo costo están disponibles. Un buen diseño de PCB no cuesta más en producción que uno malo, pero el costo de reparaciones de uno malo puede ser alto. Uno de los errores más costosos que un diseñador puede cometer es creer que la CEM es algo que puede ser tratado con todo lo demás finalizado. Que enfoque o método se debe utilizar depende en el uso, como siempre, sobre estimaciones de costo y volumen de producción, el mejor modo puede ser el uso de componentes caros y sistemas de soluciones para reducir el tiempo de diseño. Para un alto volumen, aplicación de bajo costo, puede ser mejor invertir más tiempo y recursos sobre el diseño para reducir el costo total del producto final.

3.1 Ayuda de diseño.

Si no siente que tiene el conocimiento de CEM adecuado, cuando usted empiece un proyecto, puede ser una buena idea adquirir algo de ayuda de los expertos. Esto le evitará cometer errores que pueden costarle una fortuna para corregir después. Hay una gran cantidad de consultores, agencias y empresas especializadas en diseño de CEM y entrenamiento en CEM. Añadir más personas en la fase de diseño también reducirá el tiempo de diseño y el tiempo para salir al mercado. Los buenos diseños de CEM requieren mucho conocimiento, pero usted no debe adquirir este conocimiento por el camino difícil; Por prueba y error. Otros ya lo han hecho.

4. REGLAS DE DISEÑO.

4.1 Identificar las fuentes de ruido.



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Una regla general muy importante es que todos los tipos de ruido deben ser manejados lo más próximos a la fuente de ruido como sea posible, y tan alejados de las partes sensibles de un circuito como sea posible. Esto por supuesto, significa que la tarea de identificar estas fuentes es muy importante.

4.1.2 Ruido transmitido. En muchos sistemas con microcontroladores, el microcontrolador es el único circuito digital rápido. En dichos sistemas, la más importante fuente de ruido interno es el mismo microcontrolador, y los mejores recursos son usados para prevenir RF conducida y emitida cerca del microcontrolador. Esto reducirá la cantidad de energía de RF que alcance cables de E/S u otras partes del sistema que pueden actuar como antenas transmisoras.

4.1.3 Ruido recibido. Las fuentes de ruido recibido están usualmente fuera del sistema, y por lo tanto fuera del alcance del diseñador del sistema. El ambiente es lo que es, y la primera posibilidad para el diseñador del sistema de hacer algo acerca del ruido esta sobre las entradas y cables de poder del sistema. Para un sistema repartidor con cables dedicados, incluso es posible empezar sobre el mismo cable. Un buen ejemplo es un monitor de computadora, donde a menudo se ve un filtro al lado del conector VGA que se conecta a su computadora. En otros sistemas, la primera posibilidad viene con los conectores de E/S. Esto no es aplicable para aplicaciones portátiles con baterías y sin ningún cable, pero esto es un problema similarmente más pequeño. Si la entrada de ruido al sistema pude ser prevenida, no habrán problemas de inmunidad.

4.2 Ruta a tierra. La mejor forma de evitar problemas de ruido es en primer lugar no generar ruido, pero esto es usualmente no aplicable. La mayoría de los tipos de ruido son efectos secundarios del comportamiento previsto de otras partes del sistema, y por tanto no puede ser evadido. Todos los tipos de corrientes, CA o CD (Corriente alterna o directa ->autor), alto o bajo poder, señales o ruido están siempre intentado encontrar la ruta más fácil hacia tierra. La idea básica detrás de muchas técnicas de diseño de CEM es controlar la ruta hacia tierra para todas las señales y asegurarse que esta ruta está alejada de señales y circuitos que pueden ser perturbados. Para ruido transmitido, esto significa asegurarse que el ruido encuentre su ruta a tierra antes que deje el sistema. Para ruido recibido, significa asegurarse que el ruido encuentre su ruta a tierra antes que alcance partes sensibles del sistema.

4.3 Zonas del sistema. Manejar cada problema de CEM de una vez es una tarea muy compleja. Por lo tanto es una buena idea dividir el sistema en subsistemas similares o zonas, y manejar estos individualmente. Esto puede en algunos casos, solo ser áreas diferentes del mismo PCB. La parte importante es tener el control de lo que pasa dentro una zona, y cómo interactúan las zonas. Para cada zona el



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diseñador debería tener alguna idea acerca de qué tipo de ruido puede emitir esta zona, y que tipo de ruido debería soportar. Todas las líneas entrando y saliendo de una zona pueden requerir algún tipo de filtro. También es muy importante estar consciente de como el ruido puede ser irradiado de una zona a otra. Una protección local de circuitos muy ruidosos y/o sensibles puede ser necesaria. La división puede ser hecha en dos formas o combinaciones de estas:

Las zonas pueden ser apartadas unas de las otras para separar los circuitos sensibles de los ruidosos. El ejemplo típico es un sistema de línea energizada conteniendo circuitos analógicos y digitales, en el interruptor de modo de alimentación, los circuitos analógicos y digitales son colocados sobre distintas áreas del PCB.

Estas zonas pueden estar colocadas unas dentro de otras. El ruido entrando y saliendo de la zona más interna tendrá que pasar por varias capas de filtros y/o blindajes. La reducción total de ruido será entonces mucho más eficiente que la que puede ser recibida por una sola capa. Otro ejemplo es un circuito analógico particularmente sensible, quizá con su propio escudo, en la parte analógica del PCB dentro un recinto cerrado con conectores de E/S filtrados. Otro ejemplo son microcontroladores con comunicación rápida a una memoria cercana, y comunicación más lenta con otras partes del sistema. Todas las líneas dejando esta zona son después filtradas, asegurando que ninguna de ellas lleve la más alta frecuencia de ruido más lejos. El siguiente nivel de filtros puede entonces estar sobre el límite o filo de la "zona digital", y quizá también una tercera capa de filtrado sobre los puertos de E/S del sistema que es usada para reducir el ruido emitido aun más lejos. Tres capas de filtros pueden sonar costosas, pero tres simples filtros pueden costar mucho menos que una solución avanzada al estilo "un solo filtro maneja todo".

4.4 Inmunidad a RF. Los cables largos de E/S y alimentación usualmente actúan como buenas antenas, captando el ruido del mundo exterior y conduciendo este dentro el sistema. Para sistemas sin blindaje, las pistas largas en el PCB pueden también actuar como antenas. Una vez dentro en sistema, el ruido puede ser acoplado dentro otras líneas de señal más sensibles. Es por lo tanto vital que la cantidad de energía de RF permitida dentro el sistema se mantenga tan baja como sea posible, incluso si las mismas líneas de entrada no están conectadas a ningún circuito sensible. Esto puede ser realizado añadiendo uno o más de lo siguiente:

Series de inductores o anillos de ferrita (también llamados chokes de ferrita-> autor) reducirán la cantidad de ruido de HF que alcanza el pin del microcontrolador. Tendrán alta impedancia para HF, mientras tienen baja impedancia para señales de baja frecuencia.

Capacitores de desacople sobre las líneas de entrada harán cortocircuitar el ruido de HF a tierra. Los capacitores deberán tener una baja ESR (Resistencia en Serie Equivalente) (RSE->autor). Esto es más importante que valores altos de capacitancia. En combinación con resistores o inductores, los capacitores formarán filtros pasa bajos. Si el sistema esta



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blindado, los capacitores deberán estar conectados directamente al escudo o blindaje. Esto prevendrá que el ruido entre al sistema en absoluto. Hay capacitores a través de alimentación, especialmente diseñados para este propósito, pero estos pueden ser costosos.

Muchos fabricantes entregan filtros especiales para CEM combinando inductores y capacitores en el mismo encapsulado en muchas formas y diferentes valores de componentes.

4.5 DES y transitorios. Manejar DES (Descargas electrostáticas-> autor) es usualmente muy simple: Asegúrese que el usuario no pueda tocar las partes sensibles del sistema. En la mayoría de casos, esto es realizado por el equipo de cerrado (caja del sistema-> autor) y solo los pines de E/S que dejan el sistema necesitan atención especial. Sin embargo, las descargas electrostáticas pueden inducir corrientes en las pistas cercanas, causando valores de señales incorrectas en estas. Mantenga en mente que tanto pulsos DES y otros tipos de transitorios son fenómenos de muy alta frecuencia y que la capacitancia parásita e inducida tienen una influencia muy importante en su comportamiento. Un transitorio sobre una línea también puede afectar el comportamiento de otras señales cercanas. Lo importante es asegurarse que la ruta a tierra más eficiente es una que no afecta al sistema. Si, por ejemplo, la más eficiente ruta a tierra para un pulso de DES esta a lo largo de la línea E/S, con el pin del microcontrolador, a través de un diodo de protección y después a tierra, una entrada lógica alta puede ser leída como baja. Si no se puede hacer el software para que el sistema pueda manejar esto (y usualmente es el caso), el sistema requiere de algún tipo de hardware que creará una ruta a tierra más controlada. Los filtros de RF listados arriba, por supuesto funcionarán para DES y transitorios, y pueden en algunos casos ser suficientes. Pero reducir un pico de 4 kV a un pico de 4 V requiere un filtro muy fuerte. Esto puede ser hecho por una larga serie de resistores, pero esto no es siempre una opción. Las series largas de resistores sobre las líneas de entrada incrementarán la impedancia de la ruta a tierra descrita más arriba. Esto reducirá la cantidad de ruido que alcanza el pin del microcontrolador. La desventaja de esto es que el sistema también obtendrá alta impedancia para bajas frecuencias y señales de CD de entrada., y esto es por tanto inútil para pines de E/S que son usados también como salidas. Entonces los protectores de sobre tensión son una mejor solución. Hay muchos tipos de estos, la mayoría de ellos actúan como diodos zener rápidos. Estos también tendrán una muy alta impedancia hacia tierra, siempre y cuando el voltaje de la línea de E/S este dentro los límites especificados, pero conmutará a un valor de impedancia muy baja cuando el voltaje sea muy alto. Un transitorio es entonces cortocircuitado a tierra muy efectivamente.

4.6 Fuentes de alimentación, enrutamiento de alimentación y capacitores de desacople.



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Una de las razones más comunes para los problemas de CEM con productos microcontrolados es que la fuente de alimentación no es lo suficientemente buena. El desacople correcto y suficiente de líneas de alimentación es crucial para el comportamiento estable del microcontrolador, y para minimizar el ruido emitido desde el dispositivo. Buscando en la hoja de datos de un microcontrolador AVR, uno puede ser engañado al creer que la fuente de alimentación no es importante. El dispositivo tiene un rango de voltaje muy ancho, y se solventa con unos cuantos mA de corriente de alimentación. Pero como en todos los circuitos digitales la corriente de suministro es un valor promedio. La corriente es medida en picos muy cortos sobre los flancos de reloj, y si las líneas de E/S se conmutan, los picos serán aun más altos. Los pulsos de corriente sobre las líneas de alimentación pueden ser de algunos cientos de mA si todas las ocho líneas de E/S de un puerto de E/S cambian de valor al mismo tiempo. Si las líneas de E/S no están cargadas los pulsos serán de solo unos cuantos ns. Esta clase de picos de corriente no se puede entregar sobre largas líneas de alimentación; la fuente principal es (o debería ser) el capacitor de desacople.

La Figura 4-1 muestra un ejemplo de desacople insuficiente. El capacitor está muy lejos del microcontrolador, creando un bucle grande de alta corriente. La alimentación y los planos de tierra aquí son partes de un bucle de alta corriente. Como resultado de esto, el ruido es esparcido más fácilmente a los otros dispositivos en la placa y la emisión irradiada desde la placa es incrementada aún más. Todo el plano de tierra actuará como una antena para el ruido, en vez de solo el lazo de alta corriente. Este será el caso si los pines de alimentación y tierra están conectados directamente a los planos (típicamente para componentes montados sobre huecos) y el capacitor de desacople es conectado del mismo modo. Lo mismo es a menudo visto para placas con montaje superficial de componentes, si los circuitos integrados están sobre un lugar de la placa y el capacitor de desacople esta sobre otro.



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La figura 4-2 muestra un mejor posicionamiento del capacitor. Las líneas que son parte del bucle de alta corriente no son parte de los planos de alimentación o tierra. Esto es importante, de lo contrario los planos de alimentación y tierra esparcirán mucho ruido. La figura 4-3 muestra otra mejora de desacople. Una serie de inductores es insertada para reducir el ruido de conmutación en la línea de alimentación. La resistencia en serie del inductor, debe por supuesto, ser lo suficientemente baja para asegurar que no habrá una caída de voltaje CD significativa. Generalmente, los dispositivos AVR donde las líneas de alimentación y tierra esta colocadas cerca (como el AT90S8535) conseguirán un mejor desacople que dispositivos con disposición de pines de estándar industrial (como el AT90S8515), donde los pines de alimentación y tierra son colocados en las esquinas opuestas del encapsulado DIP. Esta desventaja puede ser superada usando los encapsulados TQFP, los cuales permiten que los capacitores de desacople sean colocados muy cerca de la matriz.

4.7 Layout del PCB y aterramiento.



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4.7.1 Bucles de corriente y aterramiento de la señal.

La corriente solo puede fluir en bucles. Esto es cierto para señales tanto para la corriente de suministro. Desafortunadamente, un bucle de corriente emitirá ruido, y cuanto más largo el bucle, mayor el ruido. El ruido también incrementa con la corriente y con la frecuencia. Un bucle grande también es más predispuesto a recibir ruido. Los bucles deben por tanto mantenerse tan pequeños como sea posible. Esto significa que cada línea que pueda emitir o recibir ruido deberá tener un retorno a tierra tan cercano a la línea como sea posible. La mejor forma de asegurar que cada ruta de ruido tenga un camino de retorno es añadir un completo plano de tierra a la placa. Entonces el área del bucle será solo la longitud entre la pista y el plano a tierra. Esta área es usualmente mucho más pequeña que la que puede lograr enrutando las caminos a tierra, así que el ruido desde la placa con un plano de tierra es mucho menor que el ruido de una placa sin plano de tierra.

4.7.2 Planos de tierra. En muchos diseños, parece como si el plano de tierra fuese como "todo el cobre que no es usado para algo mas, es conectado a tierra en algún lugar." Este no será un plano de tierra efectivo. Note que para una señal de alta frecuencia, el camino de retorno a un plano de tierra estará exactamente bajo la pista, incluso si este camino es más largo que la ruta directa. Esto porque el camino de retorno será siempre de la menor impedancia, y para una señal de alta frecuencia, esta es el camino con el bucle más pequeño, no el camino que tenga la menor resistencia en CD. Para circuitos que incluyen circuitos digitales y analógicos, el plano de tierra puede ser dividido en un plano de tierra análogo y uno digital. Esto reducirá la interferencia entre las partes analógicas y las partes digitales del sistema.

4.7.3 Zonificación de la placa.

La zonificación del sistema, como la descrita en Zonas del Sistema también puede ser aplicada a una sola PCB. Las partes ruidosas del sistema, como circuitos digitales o interruptores de modo de alimentación, deberían estar hechas tan pequeñas como sean posibles, reduciendo el tamaño de los bucles de corriente que actuarán como antenas emisoras. Similarmente, las partes sensibles del sistema, como circuitos de mediciones analógicas, deberían ser hechas tan pequeñas como sean posibles, reduciendo el tamaño de bucles de corriente que actuarán como antenas receptoras. Y por supuesto, las partes ruidosas del sistema deben ser mantenidas tan lejos de las partes sensibles como sea posible. Recuerde que en ambos casos lo importante es reducir el tamaño de los bucles de corriente, no el área física de la placa. Enrutar planos de tierra para ahorrar espacio debería por lo tanto ser



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evitado, a menos que un análisis exhaustivo muestre que las caminos de retorno a tierra de otras señales no serán afectadas.

4.7.4 Placas de una cara. Las placas de una sola capa son usadas en muchas aplicaciones comerciales debido a su bajo costo. Sin embargo, desde el punto de vista de la CEM son usualmente las placas más exigentes para trabajar, porque no es posible incorporar una capa de tierra a la placa. Esto puede incrementar la necesidad de componentes externos o blindaje para conseguir la compatibilidad con CEM, especialmente a altas velocidades de reloj. El Layout (disposición de componentes y pistas->autor) de una placa de una sola cara, requerirá de grandes habilidades por parte del diseñador, así como el Layout termina fácilmente teniendo bucles grandes que pueden actuar como antenas. Siempre es una buena idea usar cables y cinturones para superar algunos de los peores problemas de enrutamiento, pero la tarea sigue siendo exigente.

4.7.5 Placas de doble cara. Si es posible, una de las caras debería ser usada solo como un plano de tierra dedicado. Si las señales son enrutadas en el plano de tierra, esto puede interferir con los caminos de retorno de la pista en el otro lado. Esta clase de enrutamiento requerirá análisis detallados de cada pista en la placa, de otra manera el plano de tierra entero puede ser desperdiciado.

Una Forma de diseñar el plano de tierra y seguir permitiendo el enrutado en ambas caras sobre una placa de dos caras, es diseñar una cuadrícula de tierra como la mostrada en la Figura 4-4. Aquí cada camino tendrá un retorno a tierra cercano, creando un bucle relativamente pequeño. El tamaño de las celdas y el ancho de las pistas deberían depender de la aplicación. Mayores corrientes y frecuencias más altas necesitarán pistas más anchas y celdas más pequeñas.



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Es muy importante primero colocar la cuadrícula de tierra en su lugar, ya que será muy difícil hacer espacio para estas después que todas las otras pistas hayan sido colocadas. De ser necesario, un segmento de la cuadrícula de tierra puede ser movido al lado opuesto de la placa para hacer el enrutado más fácil o para hacer espacio para los componentes. Pero es "ilegal" borrar segmentos. Si una vía (agujero por el cual se conectan ambas caras de la placa -> autor) o pista tiene que ser movida, coloque una extra en la cuadrícula para asegurar que no haya celdas más grandes que otras. Una cuadrícula de tierra no es tan buena como un plano de tierra completo y sin rupturas, pero es mejor que enrutar a tierra como cualquier otra señal. Otro modo de diseñar un plano de tierra similar es llenar todo el espacio sin uso en ambos lados de la placa y conectar los planos de tierra juntos con vías donde sea que se requieran. Es muy importante asegurarse que el plano de tierra en cada parte de la placa cubre por lo menos una cara y que son usadas vías suficientes, así el área total del plano se vuelve tan completa como es posible. Este modo de crear un plano de tierra también puede ser combinado con la cuadrícula de tierra descrita arriba. Empiece con una cuadrícula de tierra, luego enrute el resto de la placa y llene todas las áreas sin uso con planos de tierra. Algunas de las vías en la cuadrícula de tierra pueden en este caso, ser removidas después. Para una placa con señal mezclada, con circuitos analógicos y digitales, es recomendado usar un plano de tierra sin rupturas para la parte analógica de la placa, ya que esto brindará mejor inmunidad al ruido para circuitos analógicos.

4.7.6 Placas multicara. Cuando son usadas tres o más caras, es esencial que un plano sea usado como plano de tierra. Es también recomendado usar una cara como plano de alimentación si cuatro o más caras son usadas. Estos dos planos deberían ser colocados uno después del otro en el medio de la palca, para reducir la impedancia y el área del bucle. No es una buena idea colocar el plano de alimentación y tierra como caras las externas para actuar como escudos. No funciona como se pretendía, ya que las corrientes más altas están fluyendo en el plano de tierra. Una capa de escudo o blindaje tendría que ser un segundo par de caras de tierra.

4.8 Blindaje.



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En algunos casos no es posible que conseguir los niveles de ruido sean lo suficientemente bajos sin añadir un blindaje. En otras aplicaciones un blindaje puede ser usado porque es más fácil usar un escudo que lograr bajos niveles de ruido por otros medios. Dependiendo en la aplicación, el blindaje puede cubrir todo el sistema o solo las partes del sistema que más lo necesiten. Si el método de zona de sistema es usado en el diseño, es más sencillo determinar cuál(es) zona(s) necesitan ser blindadas. Es cualquiera de los casos, el escudo o blindaje debe estar completamente cerrado. Un escudo o blindaje es como un contenedor presurizado: Casi suficientemente bueno es tan malo como nada en absoluto. Como fue descrito anteriormente, todas las líneas entrantes o salientes de una zona necesitan ser filtradas. Una sola línea que no es filtrada actuará como un agujero en un balde de agua. Causará fugas. Un blindaje semicerrado conectado a tierra, puede seguir reduciendo el ruido. Actuará como un plano de tierra, reduciendo el tamaño de los bucles antenas. Una regla común dice que la máxima dimensión de cualquier hendidura mecánica o agujero en el blindaje deberá ser menor que 1/10 de la mínima longitud de onda del ruido. En un sistema donde la máxima frecuencia significante de ruido es 200 MHz, su longitud de onda es 150 cm, y las hendiduras deberán ser menos que 15 cm. Pero tal agujero seguirá causando alguna reducción de efectividad del blindaje. Un agujero que no afectará la efectividad del blindaje tendrá que ser menor que el 1% de la longitud de onda mínima, en este caso 1.5 cm. Esto puede dar el resultado que un 100%-la efectividad del escudo no es requerida, sin embargo. Los filtros sobre las líneas de alimentación y E/S son usualmente más importantes. En muchas aplicaciones, donde la frecuencia de ruido (>30 Mhz) es dominante, esto puede no ser siquiera necesario usar un blindaje metálico. Una capa conductora dentro de una carcasa plástica, en algunos casos, es suficiente.

4.9 Soluciones específicas de AVR.

Muchos de los temas descritos anteriormente en este documento son descripciones en general. Sin embargo hay, unas cuantas e importantes especificaciones de AVR que un diseñador debe tener en mente. Note que las mediciones descritas en este documento no son requeridas en todos los casos. En la mayoría de los casos, solo un mínimo de componentes externos (capacitor de desacople, etc.) son requeridos. De hecho soluciones integradas de bajo costo como el BOD (Brown Out Detector->autor) y pull-ups internas harán el trabajo en muchos diseños.

4.9.1 Protección general para pines de E/S.



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Todos los pines de E/S tienen diodos de protección interna a GND y Vcc contra DES, como se muestra en la Figura 4-5. Si el voltaje en un pin supera el voltaje en la hoja de datos en 'Rangos máximos absolutos', por consecuencia las corrientes resultantes pueden dañar el dispositivo estos no son limitados.

4.9.2 Protección en el pin de Reset. Durante la programación paralela, una señal de 12V es conectada al pin de Reset. Entonces no hay protección de diodo interno desde Reset a Vcc; solo hay una desde GND a Reset. Vea la Figura 4-6.

Para lograr la misma protección sobre Reset como en los otros pines de E/S, un diodo externo debe ser conectado desde Reset a Vcc. Un diodo común de pequeña señal lo hará. En adición, una resistencia pull-up (típicamente 10K) y un pequeño capacitor de filtro (4.7 nF) deberán ser conectados como se muestra en la Figura 4-7.



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Y esto por supuesto, no es necesario si el pin de Reset es conectado directamente a Vcc, pero entonces un reset externo y In-System Programming (ISP) esta deshabilitado también. Si una protección alta contra DES de Reset no es requerida, o es lograda por otros componentes el diodo puede ser omitido. El resistor y el capacitor son aun recomendados para un comportamiento óptimo de Reset. El diodo debe ser también omitido si es requerido In-System Programming en dispositivos como ATtiny11, que solo pueden ser programados usando 12V. Después en lugar de eso los métodos de protección contra DES descritos anteriormente pueden ser usados.

4.9.3 Osciladores. Como la familia de microcontroladores AVR se ejecuta directamente sobre el Oscilador de reloj, la frecuencia del Oscilador para un rendimiento específico es relativamente baja comparada a otros dispositivos que dividen el reloj en 4,8 o 12. Esto reduce el ruido emitido desde el Oscilador pero el Oscilador sigue siendo una de las partes más ruidosas del chip. Osciladores de alta frecuencia son dispositivos muy dedicados y son por tanto, sensibles a ruido externo. En adición, los pines del Oscilador son generalmente más sensibles a DES que los otros pines de E/S. Afortunadamente, es fácil evitar estos problemas.



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Mantenga el bucle del Oscilador tan ajustado como sea posible. Coloque el cristal/resonador tan cerca a los pines como sea posible. Conecte los capacitores de desacople (o la terminal de tierra del resonador) directamente al plano de tierra. Incluso placas son plano de tierra deberían tener un plano local bajo el oscilador. Este plano debe estar conectado directamente al pin de tierra del microcontrolador. Debe tener cuidado cuando usa un reloj externo para manejar el AVR. Si la fuente de reloj está lejos del AVR, la línea de reloj será una fuerte emisora de ruido y puede también actuar como una antena receptora para transitorios (y otros tipos de ruido) que pueden causar la sincronización incorrecta del AVR. Un buffer debe ser entonces colocado en la línea de reloj. Un filtro frente al buffer ayudará e reducir el ruido entrante.

5. REFERENCIAS.

Tim Williams: "EMC for Product Designers," 2nd edition ("Compatibilidad Electromagnética para diseñadores de productos,"2 edición)

Newnes, Oxford, 1996 ISBN 0 7506 2466 3 The EMC directive (La directiva CEM)

89/336/EEC y 92/31/EEC IEC Standars: IEC 1000 series and 61000 series Estándares CISPR: Todos.

Traducción realizada en Febrero de 2012

traducción de nota de aplicación avr040: consideraciones...

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