Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica

Aumento da robustez de PCI’s contra EMI com o

uso de EMC

Felipe Adriano da Silva Gonçalves

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Introdução Com o aumento dos recursos tecnológicos principalmente no que se diz a respeito de comunicações sem fio (Wireless), observou-se também o crescimento da taxa de ruídos no ambiente, que são indesejáveis em circuitos eletrônicos.

A EMI ou interferência eletromagnética é uma das principais causas do mal funcionamento de PCB’s o que acaba comprometendo a confiabilidade desses sistemas. Ela pode ser gerada também por centelhamento de motores, acionamentos de cargas indutivas como relés, ignição automotiva, entre outros. Por isso vale a pena abordar técnicas que tem por objetivo aumentar a robustez de PCB’s que operam expostos a EMI.

A técnica abordada neste trabalho será a EMC (Electromagnetic Compatibility), que visa garantir um correto funcionamento do sistema em questão. A EMC pode ser definida segundo alguns autores como a capacidade de um circuito de operar satisfatoriamente em seu ambiente, sem que este induza ou sofra perturbações eletromagnéticas intoleráveis.

Dentro deste contexto vale adiantar que serão empregadas técnicas como escolha de layout's específicos, planos de terra, blindagem e filtragem dos pinos dos dispositivos. Neste trabalho serão abordadas de forma bem simples a interferência eletromagnética suas causas e dicas de proteção para que o dispositivo ou equipamento tenha um funcionamento eficaz.

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1. Conceitos básicos • Emissão: é definida como o fenômeno no qual a energia eletromagnética emana de uma determinada fonte geradora para um dispositivo ou sistema. • Imunidade: é a capacidade de um dispositivo, equipamento ou sistema executar suas funções na presença de uma perturbação, ruído ou interferência eletromagnética sem degradação de desempenho. • Susceptibilidade eletromagnética: é a incapacidade de um dispositivo, equipamento ou sistema executar suas funções na presença de uma perturbação eletromagnética. • Limite de Interferência: é definido como o nível de interferência eletromagnética máxima admissível de um determinado dispositivo, equipamento ou sistema. • Nível de Compatibilidade Eletromagnética: é definido como o nível de interferência eletromagnética utilizado como referência para a fixação de limites de emissão e imunidade.

1.2. EMI(Electromagnetic Interference) O termo EMI proveniente do inglês é usado para designar as interferências eletromagnéticas ou ainda as perturbações sofridas por um circuito devido ao fenômeno de interferência provocada pelas radiações emitidas por uma fonte externa ou interna. Essas radiações podem interferir no funcionamento do dispositivo eletrônico imitando seu desempenho. Essa interferência pode ser conduzida ou irradiada.

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Interferência conduzida: esse tipo de interferência é transmitido da fonte geradora até o dispositivo por meios de cabos ou fios. Essa interferência é bastante comum em redes de sinal alternado que alimentam muitos sistemas chaveados em paralelo. A faixa de freqüência para emissões conduzidas está entre 150 KHZ e 30 MHZ. Interferência irradiada: esse tipo de interferência ocorre quando a energia é transferida da fonte geradora para o circuito através do espaço em forma de ondas eletromagnéticas podendo levar a falhas e interrupção de determinadas funções. A faixa de freqüência das emissões irradiadas começam em 30 MHZ e se estendem até 1 GHZ. 2. Efeitos da EMI em PCB’s A seguir serão listados alguns dos principais efeitos da interferência eletromagnética que pode comprometer um sinal de boa integridade, os níveis de tensão e o tempo de transição do projeto. Dentre esses efeitos estão os fenômenos conduzidos de baixa e alta freqüência e os fenômenos irradiados de baixa e alta freqüência. 2.1. Flutuações nas linhas de alimentação: esse efeito é bastante comum e pode provocar momentâneas reduções dos níveis de tensão nas linhas de alimentação de um sistema eletrônico. 2.2. Ruídos nas linhas de alimentação: oscilações na corrente que alimenta o circuito resultante do chaveamento de circuitos. 2.3. Ruído de terra: esse fenômeno é conhecido também como Ground Bounce e é caracterizado por momentâneas subidas de tensão nas linhas de referência de tensão (GND) de um circuito eletrônico.

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2.4. Skew: são diferenças no tempo de propagação de dois sinais transmitidos simultaneamente através da rede de distribuição de um circuito eletrônico. 2.5. Pequenas interrupções: desaparecimento momentâneo da tensão por um período de tempo. 2.6. Descargas eletrostáticas: pode ocorrer devido ao acumulo excessivo de cargas ou devido ao atrito e até mesmo pelo mal dimensionamento da PCI comprometendo o circuito. 2.7. Trasitentes elétricos rápidos: estão relacionados aos chaveamentos de energia elétrica que dão origem aos transitórios de tensão rápidos e podem ocasionar o mau funcionamento. 3. Técnicas para aumentar a confiabilidade de sistemas eletrônicos em PCB’s A EMI A Compatibilidade Eletromagnética está cada vez mais presente na elaboração de projetos envolvendo circuitos eletrônicos que necessitam de alta confiabilidade. Ela está associada a alguns efeitos presentes no ambiente (EMI) no qual o sistema está operando, isso decorre do fato de que qualquer aparelho elétrico pode gerar perturbações eletromagnéticas. Seu propósito fundamental é garantir um nível mínimo de perturbações eletromagnéticas. A análise de Compatibilidade eletromagnética deve começar no estudo do roteamento da PCI englobando também o sistema de aterramento e a posição adequada dos componentes e das trilhas, pois dessa forma é possível fazer um controle dos fluxos de campo eletromagnético presente no circuito. A seguir serão apresentados de forma bem concisa os principais aspectos a se considerar para o controle de interferências. Será proposto também um conjunto de procedimentos embasados na EMC que visão garantir a operação correta dos sistemas eletroeletrônicos embarcados.

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3.1. Técnicas de aterramentos e alimentação O sistema de aterramento e alimentação não deve ser visto somente como uma área onde se obtêm a referência (GND ou Vcc), mas também como a parte do circuito que deve favorecer o fluxo de corrente evitando que perturbações eletromagnéticas sejam incorporadas ao sistema e possam ocasionar erros de funcionamento. Num projeto podem existir variados sistemas de terra (terra RF, terra DC, terra AC, terra digital, terra analógico). Em razão disto deve haver um sistema de aterramento que requer um projeto específico. Nestes sistemas de aterramento deve se ter em mente que a resistência de terra deve ser inferior a 5 ohms, evitar loops de terra, fazer uma equalização do potencial e usar um plano de terra contínuo, levando esses fatores em consideração pode se escolher entre os dois tipos mais comuns de aterramento. Sistema de aterramento Sistema de aterramento de ponto comum com vários pontos

Figura1 (ilustrativa) Figura2 (ilustrativa) A figura 1 mostra o aterramento de ponto único utilizado em circuitos que operam em baixas freqüências já a figura dois mostra o sistema de aterramento de vários pontos que é o ideal para circuitos de altas freqüências.

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Os sistemas de alimentação seguem os mesmos critérios

do sistema de aterramento sempre evitando ligar CI’s em cadeia priorizando o método de alimentação estrela e de único ponto, como pode ser visto na figura abaixo.

As múltiplas linhas de alimentação em diferentes camadas e a transposição das mesmas em intervalos iguais diminui a área do anel magnético de interferência e minimiza o acoplamento indutivo dos sinais.

Alimentação em estrela A seguir maneiras de se rotear a alimentação

RUIM Razoável Boa Excelente

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O uso de capacitores de desacoplamento também é uma técnica que pode auxiliar no bom funcionamento do circuito, entretanto as trilhas de desacoplamento não devem ser muito longas como pode ser visto logo abaixo:

Correto Incorreto

3.2. Filtros Os filtros desde que bem dimensionados podem contribuir de forma significativa e evitar eventuais problemas com ruídos indesejáveis. Os filtros devem ser escolhidos a partir de um datasheet para que se tenha garantia de um bom funcionamento. Os filtros devem seguir normas como a norma MIL220 que prevê que o filtro seja testado com impedância de entrada e saída de 50 ohms. Um exemplo de filtro de linha com indutores e capacitores pode ser visto a seguir:

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Freqüência 48Hz – 440Hz 250Vac – 6A

Em pinos de reset o resistor em série tem o papel de limitar a corrente no caso de uma descarga eletrostática e o capacitor em paralelo pode atenuar ruídos de alta freqüência.

Para se evitar transitentes elétricos rápidos nos pinos de entrada e saída que ficam expostos ao meio externo também é necessário utilizar resistores em série e quando possível um capacitor em paralelo com o terra.

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Algumas dicas relacionadas com ruídos EMI e que podem melhorar o funcionamento do circuito

Para proteger o projeto contra EMI è bom utilizar as menores freqüências de clock possíveis (de acordo com o projeto), além de dar preferência a componentes low-power, pois o consumo será menor.

Sempre utilizar em chaveamentos digitais rápidos circuitos RC, para evitar eventuais ruídos de emissão. Deve-se usar os capacitores de desacoplamento de placa e componente além de gotas de solda nos terminais que chegam a PCI para evitar ruídos e glitches (pulsos com menor duração que a largura de pulso aceitável do sistema). Deve haver sempre a separação de circuitos geradores de ruídos e os circuitos sensíveis, e entre os circuitos analógicos e os digitais evitando a impedância comum aos circuitos mencionados. Também se deve tomar cuidado na passagem dos cabos que interligam sistemas eletrônicos para se evitar problemas de interferência devido ao acoplamento indevido dos sinais nestes cabos. Minimizar o máximo o comprimento de trilha entre os componentes. 3.3. Blindagem A blindagem utiliza o principio da reflexão das ondas eletromagnéticas incidentes ou a absorção das mesmas pelo material de blindagem de maneira impedir a propagação da energia eletromagnética para o interior do equipamento ou para o exterior do equipamento, por isso as blindagens são uma das maneiras mais eficientes para solucionar problemas de sensibilidade a EMI. Entretanto alguns cuidados merecem ser levados em consideração. A blindagem pode ser integral ou individualizada, a primeira apresenta a vantagem de blindar todo o dispositivo e também de ser bem barata, no entanto ela nem sempre é possível e pode não contribuir para problemas de auto-irradiação, já a blindagem individualizada pode facilitar o projeto evitando assim problemas de auto-irradiação, mas pode ser uma solução um pouco mais cara.

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Blindagem integral Blindagem individualizada Quanto menos descontinuidade apresentar a blindagem mais eficiente ela será, pois o campo que incide sobre a blindagem induz uma corrente sobre ela que gera um campo de módulo igual e sentido contrário, mas a blindagem sem nenhuma descontinuidade quase não é usada devido a problemas de sobreaquecimento. O uso de blindagens perfuradas é mais amplo, no entanto deve se tomar alguns cuidados, pois a corrente pode tentar fluir através da fenda acoplando mais campo para dentro da blindagem diminuindo o efeito da mesma. Agora quando a corrente flui ao longo da fenda acopla menos campo para o outro lado da blindagem, entretanto é impossível saber qual a polarização da onda pode atingir a blindagem.

Melhor dizendo, qualquer descontinuidade na estrutura da blindagem interrompe o fluxo de corrente e assim degrada a eficiência da mesma. Dessa maneira, as melhores configurações para blindagem são aquelas que produzem as menores interrupções no fluxo da corrente, ou seja, os buracos na blindagem devem ser redondos, com os furos do tamanho adequado para blindar o comprimento de onda desejado.

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3.4 Controle dos componentes e Layout Essa técnica envolve a seleção e distribuição criteriosa dos componentes que serão fixados na PCB, para se ter o controle da variação dos parâmetros do projeto e garantir o bom funcionamento do circuito. Para evitar ruídos irradiados internamente, os resistores devem ter a mínima resistência possível e os amplificadores devem ser do tipo “Lower Noise Aplifiers”. Os ruídos irradiados externamente podem ser evitados reduzindo áreas de “loop” em setores sensíveis. Os ruídos conduzidos internamente podem ser atenuados isolando os planos analógicos dos planos digitais e substituindo dispositivos do tipo chaveadores.

Usar diodos de roda livre no chaveamento de relés para proteger o circuito contra tensão reversa da bobina.

Trilhas adjacentes podem ter um efeito capacitivo deformando o sinal, ou seja, provocando overshoots ocasionando transições muito rápidas e extremamente radiantes.

Para evitar o crosstalk devem-se agrupar as famílias lógicas por funcionalidade, minimizar o máximo o comprimento de trilhas entre os componentes, manter os circuitos de chaveamentos longe dos circuitos de I/O, rotear os diferentes planos sempre ortogonalmente para evitar acoplamentos capacitivos e minimizar ao máximo a distância entre sinal e terra.

3.4.1 Circuitos digitais Nos circuitos digitais para evitar perda de dados devidos a

flutuações de tensão, deve-se usar um capacitor desacoplador para cada circuito integrado e mantê-los sempre próximos aos integrados.

Manter as trilhas de alimentação Vcc e GND curtas e largas evitando interrupções no plano terra. Rotear o circuito de forma a maximizar a isolação entre o ruído e os blocos sensíveis

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O circuito oscilador deve estar o mais próximo possível do microcontrolador com conexões curtas e diretas.

No roteamento de sinais trilhas longas podem ser consideradas como uma antena e o paralelismo entre as trilhas podem gerar capacitores, por isso é bom evitá-los. 3.5. Técnicas de software para minimizar os efeitos da EMI Fazer o uso do Watchdog priorizando apenas um WDT com verificação e recargas apenas na função principal. Sempre verificar o status dos pinos de I/O antes de prosseguir com a função de interrupção. Realizar sempre várias amostragens e média dos valores nas entradas A/D.

Conclusão

O texto percorreu de forma bem sucinta tópicos importantes a respeito de EMI e EMC, que pelas inúmeras áreas de emprego e as conseqüências que as falhas em sistemas eletrônicos podem provocar está em quase todos os projetos eletrônicos. As técnicas permitem melhorias significativas no desempenho dos sistemas aumentando a robustez de uma PCB à presença de EMI, este estudo permite não somente essa melhoria, mas também a confiabilidade de um sistema, quanto tempo esse sistema deve funcionar e em que condições. Desta forma é de fundamental importância levar em consideração todos os pontos abordados a fim de obter êxito na montagem de circuitos eletrônicos em PCI’s usando a tecnologia de chips, microcontroladores, etc.

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