Técnicas de Robustez em projetos para redução de EMI e maior imunidade dos circuitos contra ESD (EMI)

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2 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 distribuição dos componentes eletrônicos na placa de circuito impresso Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 2

3 Objetivos da Aula Ao término desta aula você irá: Conhecer a melhor forma de distribuição de linhas de alimentação e aterramentos. Obter algumas dicas para um melhor roteamento de seu circuito eletrônico e para melhor adequação às normas técnicas de compatibilidade eletromagnética Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 3

4 Objetivos da Aula Ao término desta aula você irá: Obter algumas dicas de software para minimizar os problemas de EMI em suas aplicações microcontroladas Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 4

5 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 5

7 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 7

9 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)? 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 9

10 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 10

11 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 é importantíssimo o conhecimento relativo as normas e especificações que o produto deve atender Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 11

13 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 pré ou conjunta do traçado das trilhas Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 13

15 EMI : O que é EMI, EFT, ESD e EMC? Eletromagnetic Interference Interferência Eletromagnética (conduzida ou radiada). EFT : Electrical Fast Transient Transientes 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) Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 15

16 O que é EMI, EFT, ESD e EMC? 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) Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 16

17 O que é EMI, EFT, ESD e EMC? Os grandes vilões: o o o o o o o Rede elétrica Componentes reativos (indutores) Sistemas e dispositivos de potência Máquinas elétricas Sistemas e dispositivos chaveadores Descargas atmosféricas Dedos humanos 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 17

18 O que é EMI, EFT, ESD e EMC? Descargas Eletrostáticas da ordem de dezenas de KiloVolts Pontos de manuseio e conectores são as portas de entrada para Descargas Eletrostáticas (ESD) provenientes do corpo humano Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 18

20 Algumas normas comuns: Emissão: CISPR 22 - Emissão Radiada e Emissão Conduzida Imunidade: IEC Descarga Eletrostática. IEC Campo Eletromagnético Radiado. IEC Transientes Elétricos Rápidos. IEC Surtos. IEC Rádio - Freqüência Conduzida. IEC Redução e Variação de Tensão Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 20

22 Critérios de Escolha: Filtros 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 22

25 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 25

27 Blindagens Blindagem Integral Vantagens: Blindagem interna desnecessária Solução Barata* Blindagem Individualizada Vantagens: Mais completa e eficiente Evita problemas de auto irradiação Desvantagens: Nem sempre possível Não ajuda para problemas de auto irradiação Desvantagens: Cada sub-montagem precisa ser blindada (PCB, Cabos, etc) Solução geralmente muito cara 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 27

28 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) 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 28

29 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 é possível este tipo de blindagem, principalmente por problemas de sobreaquecimento Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 29

30 Blindagens Cuidados a serem observados quando se usa blindagem perfurada. Quando a corrente tenta fluir através da fenda acopla mais campo para dentro da blindagem diminuindo o efeito da mesma Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 30

31 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 31

32 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 32

33 Considere: Blindagens 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 λ / 2d Para: /2 >d >t Para múltiplos furos a atenuação será : R (db) = 20 Log λ / 2d 20 Log n onde: n é o número de furos 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 33

35 O circuito proposto COMM H.I.D. RS485 LCD 16x2 KEYS LED s System ICSP RS232-C C.P.U. dspic RTC ETHERNET Linear A/C REG. Inputs Control TRIFASIC SYNC Digital IN Temperature Sensors OP. AMPs Relay s 4 ~ 20 R S T SMPS 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 35

36 Pontos importantes Devemos ter grande atenção com: Alimentação e potência Circuito de RESET Circuito do oscilador Circuito de Gravação Conectores Circuitos de Controle Entradas 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 36

39 Pontos importantes 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 39

40 Pontos importantes Bypass e Desacoplamento: Bypass: 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 40

42 Pontos importantes Bypass e Desacoplamento: Desacoplamento: Filtro passa-baixa, utilizado para desacoplar circuitos de alimentação comuns e evitar a propagação de ruídos Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 42

43 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!!! 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 43

47 Fonte Linear Pontos importantes Da Fonte SMPS A) Ligação em Série das Fontes Lineares (Distribuição de Carga e Potências). B) Separar Alimentação Digital da Analógica Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 47

48 Pontos Importantes Chaveamento de Relês - Sinal Geração de EFT A) Proteção contra Tri-State. B) Proteção contra tensão reversa da bobina Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 48

49 Pontos Importantes Chaveamento de Relês - Potência Geração de EFT COMUM CTRL 1 Adicionar um circuito Snubber simples Em cada contato seco 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 49

50 Pontos Importantes Circuito Oscilador Posicionamento próximo ao microcontrolador Conexões curtas e diretas Capacitores dentro da faixa de valores recomendada no datasheet Blindagem 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 50

52 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 52

54 O circuito proposto COMM H.I.D. RS485 LCD 16x2 KEYS LED s System ICSP RS232-C C.P.U. dspic RTC ETHERNET Linear A/C REG. Inputs Control TRIFASIC SYNC Digital IN Temperature Sensors OP. AMPs Relay s 4 ~ 20 R S T SMPS 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 54

55 Blocos do circuito na área da PCI Controle (Relês) Isolação Teclado E LED s RS232-C LCD ETHERNET Sinais Digitais Isolação Secondary REG. Lineares dspic R T C RS 485 ICSP Circuito C.A. A.T. SMPS Primary Entradas Digitais Entradas Analógicas (Temperatura) 4 a 20mA 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 55

56 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) 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 56

57 Posicionando os componentes Display Saídas a Relês Botões LED s RS232 Ethernet Sinais Digitais Secundário SMPS Reg. Lineares dspic RTC RS485 ICSP Alta Tensão Primário SMPS Entradas Digitais Entradas Analógicas 4 a 20 ma 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 57

58 Posicionando os componentes 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 58

59 Posicionando os componentes Considerações: 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 abertura na PCI, para aumento da isolação elétrica 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 59

60 Linhas de Alimentação e Terra Métodos de Aterramento Ponto Ponto Único Único Multi-Ponto Multi-Ponto Aceitável Preferencial apenas para para Baixas Freqüências Baixas Freqüências Preferencial para RF Alta Freqüências 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 60

66 Linhas de Alimentação e Terra Desacopladores Capacitor de desacoplamento com trilhas muito longas (Agrega circuito LR) Solução boa (Mais fácil de usar em multilayer) Solução Ideal 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 66

71 Considerações: 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 é unido 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 71

74 Considerações: Roteamento de Sinais 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 74

75 Roteamento de Sinais Algumas dicas extras: Trilhas longas podem ser consideradas como uma Antena. Cuidado paralelismo de trilhas gera capacitores Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 75

80 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 80

82 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 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 82

83 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 83

85 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 2009 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 85

86 EMC Newsletter Referências para mais informações Disponível em: EMC Design Center Home->Application Design Center-> EMC Design Center EMC Web Seminars Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 86

87 Referências para mais informações Federal Communications Commission International Electrotechnical Commission MIL Standards (military) Society of Automotive Engineers Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Slide 87