Técnicas de Robustez em Projetos para Redução de EMI e maior Imunidade dos Circuitos contra ESD

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Técnicas de Robustez em projetos para redução de EMI e maior imunidade dos circuitos

contra ESD

(EMI)


Objetivos da Aula

Ao término desta aula você irá:

� Conhecer algumas das principais normas internacionais relativas ao tema.

� Aprender algumas técnicas para adicionar robustez ao seu circuito eletrônico.

� Aprender a melhor forma de distribuiçãodos componentes eletrônicos na placa de circuito impresso.


Objetivos da Aula


� Conhecer a melhor forma de distribuição de linhas de alimentação e aterramentos.

� Obter algumas dicas para um melhorroteamento de seu circuito eletrônico e para melhor adequação às normas técnicas de compatibilidade eletromagnética.


Objetivos da Aula


� Obter algumas dicas de software para minimizar os problemas de EMI em suas aplicações microcontroladas.


Agenda

� Introdução

� O que é EMI, EFT, ESD e EMC ?

� Algumas normas comuns

� Conhecendo alguns filtros e blindagens

� Estudo de caso (criação de PCB)

� Dicas do software

� Referências


Agenda

� Introdução






� Referências


Introdução

Definição de EMC:

“EMC (Compatibilidade Eletromagnética) é a capacidade de um dispositivo ou equipamento eletrônico de atuar de maneira satisfatória em um determinado ambiente, sem sofrer alterações devido aos ruídos eletromagnéticos ali gerados, e também sem gerar e emitir ruídos desta natureza, capazes de influenciar ou alterar o funcionamento de outros dispositivos e equipamentos”


Introdução


Introdução

Desta forma algumas questões são importantes:

� Porque devemos nos preocupar com EMC (Compatibilidade Eletromagnética) em nossos projetos?

� Como devemos proceder para o desenvolvimento de projetos eletrônicos em conformidade com EMC?

� É apropriado o uso de ferramentas para traçado automático de trilhas (autorouter)?


Introdução

� Porque devemos nos preocupar com EMC (Compatibilidade Eletromagnética) em nossos projetos?

Resposta:

�Confiabilidade�Funcionamento satisfatório e dentro do esperado�Enquadramento nas normas�Redução de custos


Introdução

� Como devemos proceder para o desenvolvimento de projetos eletrônicos em conformidade com EMC?

Resposta:

Com a finalidade de redução de custo e tempo de desenvolvimento é altamente recomendado que exista no projeto, desde sua concepção, a preocupação com EMC, evitando retrabalhos, além disso éimportantíssimo o conhecimento relativo as normas e especificações que o produto deve atender.


Introdução


Introdução

� É apropriado o uso de ferramentas para traçado automático de trilhas (autorouter)?

Resposta:

A ferramenta pode ser útil, mas dependerá muito do projetista, para verificações, correções e realização préou conjunta do traçado das trilhas.


Agenda

� Introdução






� Referências


O que é EMI, EFT, ESD e EMC?

� EMI : Eletromagnetic InterferenceInterferência Eletromagnética (conduzida ou

radiada).

� EFT : Electrical Fast TransientTransientes Elétricos Rápidos (picos de pulsos

positivos ou negativos).

� ESD : Eletrostatic Discharge.Descarga Eletrostática (geralmente transferida

pelos dedos).

� EMC : Eletromagnetic Compatibility. Compatibilidade Eletromagnética (Conjunto de

Normas Técnicas).



As emissões podem ser:

� Irradiadas: São aquelas relacionadas a campos elétricos e magnéticos, trafegam pelo ar e são de alta frequência(acima de 30MHz).

� Conduzidas:São aquelas que trafegam através dos cabos e rede de alimentação, geralmente de baixa frequência (abaixo de 30MHz).



� Os grandes vilões:

o Rede elétricao Componentes reativos (indutores)o Sistemas e dispositivos de potênciao Máquinas elétricaso Sistemas e dispositivos chaveadoreso Descargas atmosféricaso Dedos humanos



Pontos de manuseio e conectores são as portas de entrada para Descargas

Eletrostáticas (ESD) provenientes do corpohumano.

Descargas Eletrostáticas da ordem de dezenas de KiloVolts


Agenda

� Introdução






� Referências


Algumas normas comuns:Emissão:� CISPR 22 - Emissão Radiada e Emissão Conduzida

Imunidade:� IEC 61000-4-2 - Descarga Eletrostática.� IEC 61000-4-3 - Campo Eletromagnético Radiado.� IEC 61000-4-4 - Transientes Elétricos Rápidos.� IEC 61000-4-5 - Surtos.� IEC 61000-4-6 - Rádio - Freqüência Conduzida.� IEC 61000-4-11- Redução e Variação de Tensão.


Agenda

� Introdução






� Referências


Filtros

� Critérios de Escolha:

− Muito cuidado ao escolher um filtro de linha a partir de um datasheet. Os filtros são especificados de acordo com a norma MIL220. Esta norma prevê que o filtro seja testado com impedância de entrada e saída em 50 Ohms.

− Na maioria dos casos esta condição não pode ser cumprida nos circuitos.

− Assim a atenuação do filtro no circuito real pode não cumprir a especificação do datasheet.

− O melhor é testá-lo na prática para cada circuito.


Filtros

� Exemplo de Filtro de Linha


Filtros� Exemplo de Filtro de Linha


Blindagens

� As blindagens são um dos meios mais eficientes para solucionar problemas de sensibilidade a EMI.

� Entretanto alguns cuidados devem ser levados em conta quando se pretende usar uma blindagem para um determinado circuito.

� A seguir serão mostrados critérios para dimensionamento de uma blindagem.


Blindagens

•Blindagem Integral

(Caixas Metálicas)

•Blindagem Individualizada

(Comumente Usada em Caixas Plásticas)


Blindagens

Blindagem Integral• Vantagens:

• Blindagem interna desnecessária

• Solução Barata*

• Desvantagens:

• Nem sempre possível

• Não ajuda para problemas de auto irradiação

Blindagem Individualizada

• Vantagens:

• Mais completa e eficiente

• Evita problemas de auto irradiação

• Desvantagens:

• Cada sub-montagem precisa ser blindada (PCB, Cabos, etc)

• Solução geralmente muito cara


Blindagens

� Algumas dicas para cabos e chicotes:

� Menor comprimento possível� Separação entre cabos de potência e controle� Cuidado especial com os conectores� Utilizar isolação e blindagem garantida e adequada

(blindagem aterrada)


Blindagens

�A Blindagem é perfeita quando não possui descontinuidade ou furos, pois o campo incidente induz uma corrente sobre a blindagem, que gera um campo de módulo igual e sentido contrário.

�Entretanto poucas vezes épossível este tipo de blindagem, principalmente por problemas de sobreaquecimento.


• Cuidados a serem observados quando se usa blindagem perfurada.

• Quando a corrente tenta fluir através da fendaacopla mais campo para dentro da blindagem diminuindo o efeito da mesma.

Blindagens


• Quando a corrente flui ao longo da fenda acopla menos campo para o outro lado da blindagem.

• Entretanto é impossível saber a polarização da onda que pode atingir a blindagem.

Blindagens


� Qualquer descontinuidade na estrutura da Blindagem interrompe o fluxo de corrente e assim degrada a eficiência da mesma.

� Sendo assim, as melhores configurações de furos são aquelas que produzem as menores interrupções no fluxo da corrente, ou seja, redondos com os furos do tamanho adequado para blindar o comprimento de onda desejado.

Blindagens


BlindagensConsidere: d = diâmetro do furo

− � = comprimento de onda incidente− r = distância desde a blindagem até a fonte da onda

incidente− t = espessura da blindagem− Então a atenuação da blindagem será:− Se d > �/2 a onda passa livremente pela blindagem− Se d = �/2 a atenuação da blindagem se aproxima de

nulo− Se d < �/2 e a distância r > d então a atenuação da

blindagem

será dada por: R (dB) = 20 Log λλλλ / 2d− Para: �/2 >d >t− Para múltiplos furos a atenuação será :

R (dB) = 20 Log λλλλ / 2d – 20 Log √√√√n− onde: n é o número de furos


Agenda

� Introdução






� Referências


O circuito proposto

dsPIC

H.I.D.

C.P.U.

KEYSLCD 16x2

LED’s

Relay’s 4 ~ 20

ControlInputs

Temperature Sensors

OP.

AMPs

Digital

IN

A/C

TRIFASIC

SYNC

SMPS

R S T

Linear

REG.

RTC

ICSP

System

COMM

ETHERNET

RS232-C

RS485


Pontos importantes

Devemos ter grande atenção com:

� Alimentação e potência� Circuito de RESET� Circuito do oscilador� Circuito de Gravação� Conectores� Circuitos de Controle� Entradas


Pontos importantes

� Master Clear

ICSP

Nunca!!!


Pontos importantes

� Desacoplamento VCC

VDDCORE

Desacoplamento


� Bypass e Desacoplamento:

Bypass: Capacitor, geralmente de baixa capacitânica e de cerâmica (devido a velocidade de atuação), responsável pela eliminação, ou minimização de ruídos de alta frequência. São aplicados após filtros e próximos aos microcontroladores e componentes digitais.

Pontos importantes



Bypass:

Pontos importantes

Auto ressonância dos capacitores:

1uF Com terminais 2,5MHz 1uF SMD 5MHz 0.1uF Com terminais 8MHz 0.1uF SMD 16MHz 0.01uF Com terminais 25MHz 0.01uF SMD 50MHz 1000pF Com terminais 80MHz 1000pF SMD 160MHz 100pF Com terminais 250MHz 100pF SMD 500MHz 10pF Com terminais 800MHz 10pF SMD 1,6GHz



Bypass:

Pontos importantes

Curto-circuito para faixas de frequência diferentes



Desacoplamento: Filtro passa-baixa, utilizado para desacoplar circuitos de alimentação comuns e evitar a propagação de ruídos.

Pontos importantes


Pontos importantes

� Gravação “In-Circuit” - ICSP

Para MCLR via Resistor 100R

Proteção Mínima

Caso os pinos de gravação forem utilizados como I/O, desacoplar com resistor!!!


Pontos importantes

� Conector com transformador acoplado


Pontos importantes

� Conectores (Proteção contra ESD):

Descarga Eletrostática Proteção na entrada


Pontos importantes

� Condicionamento e proteções

GND

Entradas


Pontos importantes

� Fonte Linear

Da Fonte SMPS

A) Ligação em Série das Fontes Lineares (Distribuição de Carga ePotências).

B) Separar Alimentação Digital da Analógica.


Pontos Importantes

� Chaveamento de Relês - Sinal

A) Proteção contra “Tri-State”.

B) Proteção contra tensão reversa da bobina.

Geração de EFT


Pontos Importantes

� Chaveamento de Relês - Potência

Adicionar um circuito “Snubber” simplesEm cada “contato seco”

COMUM CTRL 1

Geração de EFT


Pontos Importantes

� Circuito Oscilador

� Posicionamento próximo ao microcontrolador� Conexões curtas e diretas� Capacitores dentro da faixa de valores recomendada no

datasheet� Blindagem


Pontos Importantes

� Circuito Oscilador – características de EMI


Pontos Importantes

Quando não utilizar o oscilador interno?

Resposta:

Quando a precisão na frequência for de grande importância no projeto, por exemplo para canais de comunicação.


Pontos Importantes

� Circuito Oscilador


O circuito proposto

dsPIC

H.I.D.

C.P.U.

KEYSLCD 16x2

LED’s

Relay’s 4 ~ 20

ControlInputs

Temperature Sensors

OP.

AMPs

Digital

IN

A/C

TRIFASIC

SYNC

SMPS

R S T

Linear

REG.

RTC

ICSP

System

COMM

ETHERNET

RS232-C

RS485


Blocos do circuito na área da PCI

CircuitoC.A. – A.T.

SMPSPrimary

Secondary

Sinais Digitais

Controle (Relês)

REG.Lineares

TecladoELED’s

RS232-C

dsPIC

LCD

ETHERNET

RS 485R

T

C ICSP

4 a 20mAEntradas

Analógicas

(Temperatura)

EntradasDigitais

Isolação

Isolação


Blocos do circuito na área da PCI

�Considerações:

�Definição dos Blocos no esquema elétrico�Definição dos setores na PCI�Definição das saídas dos cabos�Identificação dos setores Sensíveis (Susceptibilidade)�Identificação dos setores Agressivos (Emissão)


Posicionando os componentes

AltaTensão

PrimárioSMPS

SecundárioSMPS

Sinais Digitais

Saídas a Relês

Reg.Lineares

BotõesLED’s RS232

Display

Ethernet

RS485RTC

ICSP

4 a 20 mAEntradasAnalógicas

EntradasDigitais

dsPIC



� Considerações:

�Região Secundário SMPS – Garantir o Diodo retificador e o Capacitor eletrolítico o menor caminho possível entre positivo do transformador e o negativo do transformador.�Região Saída a Relês – Deve sempre que possível estar em um canto da placa para garantir que não passe nenhuma pista de outros setores sob esta região.�Região Sinais Digitais – Devem ser posicionados de forma a permitir a saídas das ligações fora da região dos Relês.�Demais regiões ficarão na área do plano de terra Digital.




�Região de Alta tensão e primário da SMPS, garantir uma isolação mínima de 5mm entre esta região e o restante da placa.�Quando a aplicação exigir isolação extra:

Região com aberturana PCI, para aumentoda isolação elétrica


Linhas de Alimentação e Terra

� Métodos de Aterramento

Ponto Único Multi-Ponto

Preferencial para Baixas Freqüências

Preferencial para RFAceitável apenas para Baixas Freqüências

Preferencial para Alta Freqüências

Ponto Único Multi-Ponto



� Métodos de Alimentação

Ruim – Em Cadeia Ótima - Ponto Único



� Métodos de Alimentação

ESTRELA

MCU

Serial memory

Op Amp

A/D

- Boa e Prática! Control


� Roteamento de Alimentação


Ruim Bom

Melhor

Ótimo



� Desacopladores

Capacitor de desacoplamento com trilhas muito longas (Agrega circuito LR)

Solução boa (Mais fácil de usar em multilayer)

Solução Ideal



� Alimentação Digital

12V

3V3

5V



� Alimentação Analógica

AVDD AGND



� Plano Terra - Montagem



� Plano Terra - Soldagem


Alimentação e Terras


�12V – Dividir a partir do secundário da Fonte para as 3 regiões.�5V - Entrada para os reguladores de 3V3 e outras regiões sempre a partir dos capacitores.�3V3 - Digital – Ponto de partida para a distribuição na placa a partir do capacitor do regulador de 3V3.�3V3 – Analógico – Sai direto do capacitor do regulador para o dsPIC�Terra Analógico - Sai direto do capacitor do regulador para o dsPIC (este terra éunido ao terra digital no capacitor do regulador.)�Terra Digital – para este projeto foi usado plano de terra de baixa impedância.�Para garantir que o plano tenha uma baixa impedância utilizar o máximo de interligação do plano de terra entre o lado inferior e superior da placa.�Os capacitores de desacoplamento devem sempre estar perto do pino que ele desacopla.


Roteamento de Sinais

� Pistas de Sinais (Montagem)



� Pistas de Sinais (Soldagem)




�O roteamento dos sinais sempre deve ser feito dentro das regiões definidas na disposição dos componentes. �O Sinal do cristal deve ser o menor possível�Os sinais Sensíveis (Susceptibilidade à EMI ) devem ser blindados com o plano de terra.�Os sinais Agressivos ( Emissão de EMI ) devem estar o mais afastado possível dos outros sinais.�Fazer as ligações menores possíveis para garantir uma grande área de terra.



� Algumas dicas extras:

Trilhas longas podem ser consideradas como uma Antena.

Cuidado paralelismo de trilhas gera capacitores.


Finalizando a PCI

� Pistas + Alimentação + Plano Terra (Montagem)


Finalizando a PCI

� Pistas + Alimentação + Plano Terra (Soldagem)


Placa (Montagem)


Placa (Soldagem)


Considerações Finais

� Pensar em EMI desde o início do projeto.� Procurar fazer o esquema elétrico com cuidados de

robustez do projeto.� Definir com clareza os blocos no esquema elétrico.� Fazer a distribuição dos blocos na PCI de forma a

minimizar o cruzamento de sinais sensíveis e agressivos.

� Fazer as alimentações e terra com baixa impedância.� Ligar a placa seguindo as regiões definidas na

disposição de componentes.


Agenda

� Introdução






� Referências


Dicas de software

� Técnicas de software para minimizar os efeitos dos ruídos e irradiações.

Entradas digitais:Realização de “Pooling” ou então medição de tempo do sinal.


Dicas de software

� Técnicas de software para minimizar os efeitos dos ruídos e irradiações.

Uso de watchdog timer:Priorizar uso de apenas 1 WDT e com verificação e recarga apenas na função principal.

Pinos de interrupção:Sempre verificar o status do pinos antes de prosseguir com a função de interrupção.

Entradas de A/D:Realização de várias amostragens e média dos valores


Agenda

� Introdução






� Referências


Referências para mais informações

Application Notes (Microchip):

� AN943-Practical PICmicro® Oscillator Analysis and Design

�

AN823-Analog Design in a Digital World Using Mixed Signal Controllers

� AN595-Improving the Susceptibility of an Application to ESD

�

AN688-Layout Tips for 12-Bit A/D Converter Application



� EMC Newsletter− Disponível em: EMC Design Center

Home->Application Design Center-> EMC Design Center

� EMC Web Seminarswww.microchip.com/emc



� Federal Communications Commission www.fcc.gov

� International Electrotechnical Commissionwww.iec.ch

� MIL Standards (military) www.mil-standards.com

� Society of Automotive Engineers www.sae.org


Dúvidas?


A Equipe Microchip Agradece a sua Presença.

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