Páginas:
438
Edición:
1
Fecha de publicación:
07/03/2010
ISBN:
9788426716439
Formato:
21x29.7 cms

Compatibilidad Electromagnética y Seguridad Funcional en Sistemas Electrónicos

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Todas las tecnologías electrónicas son vulnerables a errores y fallos de funcionalidad causados por interferencias electromagnéticas. Además, la sofisticación de la tecnología y el incremento en la densidad de integración, aumentan la susceptibilidad a las interferencias. Las fuentes de interferencia también han aumentado en los últimos años y la tendencia es a seguir haciéndolo tanto en número como en la intensidad de las señales interferentes. Estas fuentes de interferencia no sólo pueden ser externas al sistema, pueden provenir también de los propios circuitos electrónicos. Las emisiones, ya sean radiadas o conducidas, que se producen en los circuitos logran alcanzar otros circuitos próximos también en forma radiada o conducida y pueden producir fallos funcionales. La técnica que analiza, evalúa y previene el riesgo de tener fallos en los sistemas importantes para la seguridad de los usuarios se llama Seguridad Funcional, (Functional Safety).
Antiguamente la seguridad funcional y la EMC eran disciplinas distintas, pero finalmente se ha llegado a la conclusión de que una es consecuencia de la otra y se deben aplicar las medidas de EMC adecuadas durante la fase de diseño para que las interferencias no constituyan un riesgo en la seguridad de funcionamiento. El estándar de seguridad funcional es la norma IEC 61508. Esta norma, a pesar de que se encuentra en sus primeras fases, trata de cuantificar los riesgos de tener un fallo de seguridad funcional y obliga a realizar los cambios necesarios en el diseño para mantenerlo dentro de los límites aceptables de riesgo. Los costes financieros de aplicar una buena ingeniería de EMC están perfectamente cuantificados y siempre serán menores que los que pueden derivarse de situaciones de riesgos en seguridad funcional.

Abreviaturas...xix Prólogo.21 Introducción.. ................................................................................. 23 1. EMC y Seguridad funcional .............................................. 31 1.1. ¿Qué son la EMC y la Seguridad funcional? ................................................... 31 1.1.1. Consecuencias de fallos en Seguridad funcional ........................................... 31 1.1.2. Relación entre FS y EMC .............................................................................. 32 1.2. Historia de accidentes relacionados con EMC ................................................ 32 1.2.1. El dirigible Hindenburg ................................................................................. 32 1.2.2. Portaviones Forrestal USA ............................................................................ 33 1.2.3. Destructor HMS Sheffield ............................................................................. 34 1.2.4. Helicóptero UH-60 Blackhawk ..................................................................... 35 1.2.5. Frenos ABS en un conocido fabricante de coches alemán ............................ 36 1.3. Compatibilidad electromagnética ..................................................................... 36 1.3.1. Inmunidad electromagnética .......................................................................... 37 1.3.2. Emisiones electromagnéticas ......................................................................... 37 1.3.3. Margen de EMC ............................................................................................ 37 1.3.4. Fuente de ruido .............................................................................................. 38 1.3.5. Tipos de ruido ................................................................................................ 39 1.3.6. El medio de propagación del ruido ................................................................ 40 1.3.7. Receptor del ruido .......................................................................................... 40 1.3.8. ¿Cómo debemos diseñar los circuitos electrónicos? ...................................... 41 1.3.9. EMC desde el inicio del diseño ..................................................................... 42 1.3.10. ¿Por dónde empezamos? ................................................................................ 43 1.3.11. Métodos de diseño de EMC ........................................................................... 45 1.3.12. Auto-compatibilidad o integridad de la señal ................................................ 46 1.3.13. Las cuatro fuentes de distorsión de la señal ................................................... 47 2. Seguridad Funcional (Functional Safety) ......................... 49 2.1. Conceptos de seguridad funcional .................................................................... 49 2.1.1. ¿Qué es la seguridad funcional en sistemas electrónicos? ............................. 49 2.1.2. Funciones de seguridad .................................................................................. 50 2.1.3. Safety Integrity Level SIL (Nivel de Seguridad Integral) .............................. 50 2.1.4. Clasificación de las funciones de seguridad .................................................. 51 2.1.5. Análisis de peligros (Hazard analysis) .......................................................... 51 2.1.6. Identificación de riesgos (Risk assesment)..................................................... 51 2.1.7. Desafíos al trabajar con seguridad funcional ................................................. 52 2.2. El porqué de los errores en el producto ........................................................... 52 2.2.1. Problemas con el equipo de trabajo ............................................................... 53 2.2.2. Proceso desorganizado ................................................................................... 54 2.2.3. Problemas con el producto ............................................................................. 55 2.2.4. Tecnología inadecuada .................................................................................. 55 2.3. Condiciones reales de ensayos de EMC ........................................................... 56 2.3.1. Ensayos combinados de EMC y ambientales ................................................ 56 2.3.2. Seguridad funcional durante el ciclo de vida del producto ............................ 56 3. Fundamentos electromagnéticos ....................................... 59 3.1. Campos electromagnéticos ................................................................................ 59 3.2. Campo eléctrico .................................................................................................. 59 3.2.1. Cargas y electrones ........................................................................................ 60 3.2.2. ¿Cómo se representa el campo eléctrico? ...................................................... 60 3.2.3. Potencial eléctrico y diferencia de potencial .................................................. 61 3.3. Condensadores ................................................................................................... 62 3.3.1. Capacidad de un condensador (Faradios) ...................................................... 63 3.3.2. El valor del condensador................................................................................ 64 3.3.3. El condensador de desacoplo adecuado ......................................................... 65 3.3.4. Resonancia en paralelo .................................................................................. 66 3.3.5. Estabilidad a largo término (Capacitance drift) ............................................ 66 3.3.6. Coeficiente de temperatura (TC) ................................................................... 67 3.3.7. Rated capacitance (CR) .................................................................................. 67 3.3.8. Rated voltage (UR) ......................................................................................... 67 3.3.9. Corriente de rizado ........................................................................................ 67 3.3.10. Surge voltage (US) ......................................................................................... 68 3.3.11. Voltaje AC sobrepuesto ................................................................................. 68 3.3.12. Voltaje inverso ............................................................................................... 68 3.3.13. Voltaje pulsante ............................................................................................. 68 3.3.14. Upper Category Temperature (UCT en ºC) .................................................. 68 3.3.15. Temperatura y frecuencia .............................................................................. 69 3.3.16. Operating Temperature (TOP) and Life Expectancy ...................................... 69 3.3.17. Resistencia de aislamiento (RIS) .................................................................... 70 3.3.18. Dieléctricos (Dielectric strength) .................................................................. 70 3.3.19. Influencia del dieléctrico sobre la capacidad ................................................. 70 3.3.20. Dielectric absorption (DA) ............................................................................ 71 3.3.21. Condensadores en serie .................................................................................. 71 3.3.22. Condensadores en paralelo ............................................................................ 72 3.3.23. Constante de tiempo (RC) y carga en un condensador .................................. 72 3.3.24. Descarga de un condensador .......................................................................... 73 3.3.25. Energía almacenada (Joules o Watio/segundo) ............................................. 74 3.3.26. Campo eléctrico entre las armaduras de un condensador .............................. 74 3.3.27. ESR (Resistencia Serie Equivalente) ............................................................. 75 3.3.28. ESL (Inductancia Serie Equivalente) ............................................................. 76 3.3.29. Corriente a través del condensador ................................................................ 76 3.3.30. Reactancia de un condensador ....................................................................... 77 3.3.31. Impedancia total de un condensador .............................................................. 77 3.3.32. Ángulo de fase ............................................................................................... 78 3.3.33. Factor de disipación (%) ................................................................................ 79 3.3.34. Factor de potencia (%) ................................................................................... 79 3.3.35. Factor de calidad ............................................................................................ 79 3.3.36. Potencia perdida............................................................................................. 79 3.3.37. Respuesta a impulsos (dV/dt) ........................................................................ 80 3.4. Campo magnético............................................................................................... 80 3.4.1. Campo inducido ............................................................................................. 81 3.5. La inductancia .................................................................................................... 81 3.5.1. ¿Qué es la inductancia? ................................................................................. 82 3.5.2. La inductancia es un elemento reactivo ......................................................... 83 3.5.3. Constante de tiempo de los circuitos LR ....................................................... 84 3.5.4. Corriente de carga por la inductancia ............................................................ 84 3.5.5. Tipos de inductancia ...................................................................................... 85 3.5.6. Auto-inductancia............................................................................................ 85 3.5.7. Inductancia mutua .......................................................................................... 85 3.5.8. La modulación de la impedancia ................................................................... 86 3.5.9. Bobinas conectadas en serie .......................................................................... 87 3.5.10. Capacidad parásita en las bobinas.................................................................. 88 3.5.11. Ruido en la masa (Ground noise) .................................................................. 89 3.5.12. Minimizar la inductancia. Inductancia de los conductores ............................ 90 3.5.13. Bobinas impresas ........................................................................................... 91 3.6. Relés y contactores ............................................................................................. 92 3.6.1. Control de la bobina del relé .......................................................................... 92 3.6.2. Desactivación ................................................................................................. 93 3.6.3. Cargas inductivas en los contactos de los relés .............................................. 94 3.6.4. Sobre tensiones generadas ............................................................................. 94 3.6.5. Ejemplo práctico ............................................................................................ 95 3.6.6. Protección con varistores ............................................................................... 96 3.6.7. Alimentación y retornos de relés y motores................................................... 97 3.7. Diseño orientado a EMC ................................................................................... 98 3.7.1. Cancelación del flujo magnético .................................................................... 99 3.7.2. Componentes no ideales .............................................................................. 100 3.7.3. Antenas ocultas ............................................................................................ 100 3.7.4. Componentes ocultos ................................................................................... 101 3.8. Conceptos básicos de EMC y RF (radiofrecuencia) ...................................... 102 3.8.1. Ancho de banda y amplitud de la señal medida ........................................... 102 3.8.2. Tipos de detección ....................................................................................... 103 3.8.3. Detector de pico (peak) ................................................................................ 103 3.8.4. Detector de cuasi pico (quasi peak) ............................................................. 103 3.8.5. Detector promedio (average) ....................................................................... 104 3.8.6. Tiempo de medida (Sweep) .......................................................................... 104 3.8.7. Ensayos de EMC.......................................................................................... 104 3.8.8. Emisiones radiadas ...................................................................................... 106 3.8.9. Emisiones conducidas .................................................................................. 107 3.8.10. Inmunidad radiada ....................................................................................... 108 3.8.11. Inmunidad conducida ................................................................................... 108 3.8.12. Inyección de corriente (BCI Bulk Current injection) ................................... 109 3.9. ESD (Descargas de electricidad estática) ....................................................... 110 3.9.1. Campos estáticos ......................................................................................... 110 3.9.2. Formas de onda de las descargas electrostáticas .......................................... 111 3.9.3. Efecto triboeléctrico ..................................................................................... 112 3.9.4. Fallos provocados por eventos de ESD ....................................................... 112 3.9.5. Tipos de descargas ....................................................................................... 113 3.9.6. Daño causado por corrientes de ESD fluyendo en circuitos ........................ 113 3.9.7. Daño causado por corrientes de ESD fluyendo a través de masa ................ 114 3.9.8. Daño causado por campos electromagnéticos ............................................. 114 3.9.9. Daño causado por pre-descargas de campo eléctrico ................................... 115 3.9.10. Generador de ESD auto construido.............................................................. 116 3.9.11. Diagnósticos y soluciones ............................................................................ 116 3.9.12. Conceptos relacionados con el análisis de fenómenos ESD ........................ 118 3.10. La resonancia ................................................................................................... 119 3.10.1. Resonancia serie .......................................................................................... 120 3.10.2. Resonancia en paralelo ................................................................................ 121 3.10.3. La resonancia ciclo a ciclo ........................................................................... 121 3.10.4. Frecuencia de anti-resonancia ...................................................................... 124 4. Ruido en los circuitos ....................................................... 125 4.1. Procedencia del ruido ...................................................................................... 125 4.2. Inter-sistemas. Métodos de acoplo del ruido ................................................. 125 4.2.1. Acoplo de impedancia común. ..................................................................... 127 4.2.2. Acoplo por campo electromagnético ........................................................... 127 4.2.3. Acoplo radiado. Campo magnético.............................................................. 128 4.2.4. Acoplo radiado. Campo eléctrico ................................................................ 128 4.2.5. Radiado y conducido. Acoplo combinado ................................................... 129 4.3. Ruido intra-sistema, crosstalk ......................................................................... 130 4.3.1. Unidades de medida del crosstalk ............................................................... 131 4.3.2. Crosstalk de impedancia común ................................................................. 132 4.3.3. ¿Qué es la capacidad mutua? ....................................................................... 132 4.3.4. Relación entre la capacidad mutua y el crosstalk ........................................ 134 4.3.5. Crosstalk capacitivo ..................................................................................... 134 4.3.6. Far end y near end del crosstalk capacitivo ................................................ 135 4.3.7. Reducción del crosstalk capacitivo .............................................................. 137 4.3.8. Crosstalk inductivo ...................................................................................... 137 4.3.9. Relación entre inductancia mutua y crosstalk .............................................. 139 4.3.10. Far end y near end del crosstalk inductivo ................................................. 140 4.3.11. Crosstalk e impedancia de las líneas ........................................................... 141 4.3.12. Forma de identificar el tipo de crosstalk ...................................................... 142 4.3.13. Crosstalk debido a discontinuidades de los planos ...................................... 142 4.3.14. Divergencia de la corriente de retorno ......................................................... 143 4.3.15. Crosstalk hacia los planos de alimentación ................................................. 144 4.3.16. Técnicas de diseño para prevenir el crosstalk .............................................. 145 4.4. El ground bounce .............................................................................................. 146 4.4.1. Etapas de salida ........................................................................................... 147 4.4.2. Inductancias parásitas .................................................................................. 147 4.4.3. La naturaleza de los planos .......................................................................... 150 4.4.4. La mirilla (spyhole) ...................................................................................... 151 4.4.5. Estrategias para minimizar el ground bounce .............................................. 152 4.5. Gradiente de tensión en los planos ................................................................. 154 4.6. Blindajes y cables coaxiales ............................................................................. 156 4.6.1. Efectividad del blindaje (Shielding Effectiveness) ....................................... 157 4.6.2. Continuidad en el blindaje ........................................................................... 159 4.6.3. Juntas conductoras (Gaskets) ....................................................................... 159 4.6.4. Cables coaxiales........................................................................................... 160 4.6.5. Impedancia de transferencia ZT ................................................................... 160 5. La radiación ...................................................................... 163 5.1. Tiempo y frecuencia ......................................................................................... 163 5.1.1. Dominio temporal ........................................................................................ 163 5.1.2. Dominio frecuencial .................................................................................... 164 5.2. Campos electromagnéticos y radiación .......................................................... 167 5.2.1. Campo conservativo y campo radiante ........................................................ 167 5.2.2. Campos radiantes ......................................................................................... 168 5.2.3. Tipos de antenas .......................................................................................... 169 5.2.4. Partículas cargadas ....................................................................................... 170 5.2.5. Movimiento de las partículas ....................................................................... 170 5.2.6. El fenómeno de la radiación ........................................................................ 171 5.2.7. Campo cercano y campo lejano ................................................................... 171 5.2.8. Impedancia de onda ..................................................................................... 172 5.3. Corrientes en modo diferencial y en modo común ........................................ 173 5.3.1. Corrientes en modo diferencial .................................................................... 174 5.3.2. Radiación en modo diferencial .................................................................... 174 5.3.3. Ejemplo de reducción de interferencias en modo diferencial ...................... 176 5.3.4. Corrientes en modo común .......................................................................... 178 5.3.5. Emisión de interferencias en modo común .................................................. 180 5.3.6. Conversión entre el modo diferencial y el modo común ............................. 180 5.3.7. Asimetría en un circuito impreso de dos capas ............................................ 181 5.3.8. Asimetrías en componentes ......................................................................... 182 5.3.9. Aislamiento mediante bobina de modo común ............................................ 182 5.3.10. Aislamiento mediante transformador ........................................................... 183 5.3.11. Aislamiento mediante opto-acoplador ......................................................... 184 5.3.12. Filtrado de las entradas y salidas ................................................................. 185 5.3.13. Circuitos de filtro ......................................................................................... 185 5.3.14. Cables planos ............................................................................................... 186 6. Líneas de transmisión ...................................................... 189 6.1. Introducción ..................................................................................................... 189 6.1.1. Material del circuito impreso ....................................................................... 190 6.1.2. Constante dieléctrica .................................................................................... 190 6.1.3. Factor de disipación ..................................................................................... 191 6.1.4. Resistencia de la superficie y volumen en el material dieléctrico ................ 191 6.1.5. Resistencia al cortocircuito (Dielectric Strength Breakdown) ..................... 192 6.1.6. Interconexiones ............................................................................................ 192 6.1.7. Línea capacitiva (puntual) ........................................................................... 193 6.1.8. Pistas eléctricamente largas ......................................................................... 193 6.1.9. La velocidad de la luz .................................................................................. 194 6.1.10. Tiempo de propagación ............................................................................... 195 6.2. Parámetros de las líneas de transmisión ........................................................ 196 6.2.1. Impedancia característica ............................................................................. 196 6.2.2. La impedancia característica versus forma física de la línea ....................... 198 6.2.3. Impedancia y resistencia .............................................................................. 199 6.2.4. Líneas de transmisión en circuitos impresos. Microstrip ............................. 199 6.2.5. Stripline ....................................................................................................... 200 6.2.6. Microstrip diferencial .................................................................................. 201 6.2.7. Stripline diferencial simétrica ...................................................................... 201 6.2.8. Retardo y velocidad de propagación ............................................................ 202 6.2.9. Inductancia y capacidad de las líneas .......................................................... 203 6.2.10. Amplitud de la señal sobre la línea de transmisión ...................................... 203 6.2.11. Corriente en la línea de transmisión ............................................................. 204 6.2.12. División de líneas ........................................................................................ 206 6.3. Retornos de las líneas de transmisión. Retornos ideales ............................... 206 6.3.1. Retorno de corriente en una línea microstrip referenciada a masa .............. 207 6.3.2. Retorno de corriente en una stripline ........................................................... 209 6.3.3. Cuando plano de alimentación y driver no tienen el mismo voltaje ............ 210 6.4. Reflexiones en la línea de transmisión ............................................................ 211 6.4.1. Final de línea sin la impedancia correcta ..................................................... 212 6.4.2. Terminación de AC ...................................................................................... 214 6.4.3. Efectos de la frecuencia de las señales ........................................................ 214 6.4.4. Amortiguación (Damping) ........................................................................... 215 6.4.5. Ángulos de las pistas ................................................................................... 216 6.5. Retornos no ideales .......................................................................................... 217 6.5.1. Acoplo de dos líneas atravesando un corte del plano de masa ..................... 218 6.5.2. Salto de capa ................................................................................................ 219 6.5.3. Mala interconexión de planos ...................................................................... 221 6.5.4. Otros retornos no ideales ............................................................................. 222 6.5.5. Características comunes de los retornos no ideales ..................................... 223 6.6. Atenuación de las señales ................................................................................ 223 6.6.1. Resistencia del cobre ................................................................................... 223 6.6.2. Resistencia de las vías ................................................................................. 226 6.6.3. Pérdidas resistivas en corriente alterna (Skin effect) .................................... 227 6.6.4. Profundidad del efecto skin (Skin depth) .................................................... 227 6.6.5. Resistencia efectiva de un conductor en corriente alterna ........................... 228 6.6.6. Absorción del dieléctrico ............................................................................. 229 6.6.7. Degradación de los flancos .......................................................................... 229 6.6.8. Impedancia de 50 ó 75 Ohm ........................................................................ 230 6.6.9. Pre-énfasis ................................................................................................... 230 7. Técnicas de trazado del circuito impreso ....................... 231 7.1. Circuitos impresos ........................................................................................... 231 7.1.1. Segregación de circuitos .............................................................................. 231 7.2. Planos de alimentación y de masa .................................................................. 233 7.2.1. Impedancia característica ............................................................................. 234 7.2.2. Ruido SSO en el plano de masa ................................................................... 234 7.2.3. Corrientes de retorno en el plano de masa ................................................... 235 7.2.4. Anchura efectiva del plano de masa ............................................................ 236 7.2.5. Separando planos ......................................................................................... 236 7.2.6. Tensiones de alimentación ........................................................................... 237 7.2.7. Efecto de blindaje de los planos .................................................................. 238 7.2.8. Crosstalk entre pistas adyacentes ................................................................ 238 7.2.9. Capacidad entre planos ................................................................................ 239 7.2.10. Solapar planos .............................................................................................. 240 7.2.11. Pistas que atraviesan segregaciones ............................................................. 241 7.2.12. Distribución de las capas (stackup) .............................................................. 242 7.2.13. Circuito impreso de seis capas ..................................................................... 243 7.2.14. Circuito impreso de ocho capas ................................................................... 244 7.2.15. Efecto proximidad ....................................................................................... 244 7.2.16. Estrategias en los planos de masa y de alimentación ................................... 245 7.2.17. Desacoplo a un plano equivocado ............................................................... 246 7.3. Conexión de planos de masa (Grounding) ...................................................... 247 7.3.1. Configuraciones de masa en estrella y en serie ............................................ 247 7.3.2. Masa híbrida ................................................................................................ 248 7.3.3. Conectando los planos juntos ...................................................................... 249 7.4. Las vías ............................................................................................................. 250 7.4.1. Resistencia de las vías ................................................................................. 250 7.4.2. Capacidad de corriente de las vías ............................................................... 251 7.4.3. Capacidad e inductancia de las vías ............................................................. 252 7.4.4. Capacidad de las vías ................................................................................... 253 7.4.5. Inductancia de las vías ................................................................................. 253 7.4.6. Disposición de vías ...................................................................................... 253 7.4.7. El modelo vía ............................................................................................... 254 7.4.8. Microvías ..................................................................................................... 255 7.4.9. Jaula de Faraday .......................................................................................... 256 7.4.10. Masas flotantes ............................................................................................ 256 7.4.11. Relleno de masa (Poured-ground) ............................................................... 257 7.5. Micro-islas ........................................................................................................ 258 7.5.1. Micro-isla en circuitos multicapa................................................................. 259 7.5.2. Entradas y salidas desde los planos ............................................................. 260 7.5.3. Figuras de ruido ........................................................................................... 261 7.5.4. Aislamiento de circuitos .............................................................................. 262 7.6. Capacidad enterrada (Buried capacitance) .................................................... 262 7.7. Terminación disipativa en los bordes (DET) ................................................. 264 7.7.1. La equipotencialidad de los planos .............................................................. 264 7.7.2. Resonancia en los planos ............................................................................. 265 7.8. Masas limpias y masas sucias .......................................................................... 267 7.8.1. Con los mismos componentes, pero… ¡funciona! ....................................... 269 7.8.2. Campo eléctrico entre circuitos de potencia y de señal ............................... 270 7.9. Stitching. Salvando las distancias ................................................................... 272 7.9.1. Stitching de alta frecuencia .......................................................................... 273 7.9.2. Stitching de baja frecuencia ......................................................................... 274 7.9.3. Stitching múltiple ........................................................................................ 274 7.9.4. Técnica de stitching según la frecuencia de las señales .............................. 275 7.9.5. Masas aisladas galvánicamente ................................................................... 275 7.9.6. Mejora de la inmunidad en ESD .................................................................. 276 7.10. Consejos prácticos sobre los planos de alimentación .................................... 277 7.10.1. Trazado del circuito impreso de un microcontrolador ................................. 277 7.10.2. Alimentación y desacoplo ............................................................................ 277 7.10.3. Separación de la alimentación ..................................................................... 279 7.10.4. Cristal de cuarzo y señales rápidas .............................................................. 280 7.10.5. Pistas sin plano de referencia ....................................................................... 281 7.11. Circuitos impresos de dos capas ..................................................................... 281 8. El sistema de alimentación ............................................... 285 8.1. Introducción ..................................................................................................... 285 8.1.1. Condensador de desacoplo ........................................................................... 286 8.1.2. El comportamiento real de un condensador ................................................. 286 8.1.3. Resonancia serie .......................................................................................... 287 8.1.4. Consideraciones generales ........................................................................... 288 8.1.5. Tipo de condensador .................................................................................... 288 8.1.6. El emplazamiento ........................................................................................ 289 8.1.7. ¿Por qué el emplazamiento es importante? .................................................. 289 8.1.8. Efecto de la carga en las salidas ................................................................... 290 8.1.9. El valor del condensador.............................................................................. 290 8.1.10. Filtrado de la alimentación .......................................................................... 291 8.1.11. Condensador de paso (bypass) ..................................................................... 293 8.1.12. Condensador reserva (bulk) ......................................................................... 293 8.2. El sistema de alimentación .............................................................................. 294 8.2.1. ¿De qué se compone el sistema de alimentación? ....................................... 295 8.2.2. Impedancia interna del sistema de alimentación .......................................... 297 8.2.3. Comportamiento dinámico del sistema de alimentación ............................. 298 8.2.4. Secuencia de acontecimientos en la demanda de corriente .......................... 299 8.2.5. Medida del ruido en un sistema de alimentación ......................................... 301 8.3. Impedancia del sistema de alimentación ........................................................ 301 8.3.1. Impedancia del sistema de alimentación ...................................................... 302 8.3.2. Regulador de tensión ................................................................................... 303 8.3.3. Condensador reserva (bulk) ......................................................................... 303 8.3.4. Corriente media y de pico en CMOS ........................................................... 304 8.3.5. Condensador de desacoplo ........................................................................... 305 8.3.6. Planos de alimentación ................................................................................ 306 8.3.7. Impedancia global del sistema ..................................................................... 307 8.4. Concepto de altura de desacoplo .................................................................... 307 8.4.1. Inductancias parciales .................................................................................. 308 8.4.2. Inductancia del bucle L1, vías ..................................................................... 309 8.4.3. Inductancia de los pads del condensador ..................................................... 309 8.4.4. Inductancia del bucle L2 .............................................................................. 310 8.4.5. Inductancia del bucle L3 .............................................................................. 310 8.4.6. Frecuencia de utilización del condensador de desacoplo ............................. 311 8.5. Contaminación de los planos ........................................................................... 311 8.5.1. Ruido en la alimentación de un circuito integrado ...................................... 313 8.5.2. Reducción del ruido en los planos ............................................................... 314 8.6. Desacoplo en baja y alta frecuencia ................................................................ 315 8.6.1. Desacoplo a bajas frecuencias ..................................................................... 315 8.6.2. Desacoplo en altas frecuencias .................................................................... 316 8.7. Estrategias recomendadas en el desacoplo .................................................... 316 8.7.1. Reducción de la inductancia de las vías ....................................................... 317 8.7.2. Emplazamiento en array .............................................................................. 318 9. Diseño lógico de alta velocidad ........................................ 319 9.1. El jitter ............................................................................................................... 319 9.1.1. ¿Qué es el jitter? .......................................................................................... 319 9.1.2. Jitter de corto término y jitter de largo término ........................................... 321 9.1.3. Diagrama del ojo (Eye diagram) ................................................................. 321 9.1.4. Clases de jitter ............................................................................................. 323 9.1.5. Origen del jitter ........................................................................................... 323 9.1.6. Señales de reloj ............................................................................................ 323 9.1.7. Formas de medir el jitter. PLL de referencia. (Golden PLL) ....................... 324 9.1.8. Medida del jitter mediante un osciloscopio. ................................................ 325 9.1.9. Análisis del jitter utilizando una aproximación al espectro ......................... 325 9.1.10. Métodos para reducir el jitter ....................................................................... 326 9.1.11. Filtrado de la tensión de alimentación. ........................................................ 327 9.2. El skew ............................................................................................................... 327 9.2.1. Sincronización de señales. ........................................................................... 328 10. Diseño analógico y de potencia ........................................ 331 10.1. Fugas de corriente en el sustrato del PCB ..................................................... 331 10.1.1. Efectos estáticos........................................................................................... 331 10.1.2. Anillos de guarda (Guard Ring) .................................................................. 332 10.1.3. Efectos dinámicos ........................................................................................ 334 10.2. Amplificadores ................................................................................................. 335 10.2.1. Un solo punto de masa ................................................................................. 335 10.3. Fuentes de alimentación conmutadas ............................................................. 337 10.3.1. Corriente en la inductancia .......................................................................... 337 10.3.2. Parámetros utilizados ................................................................................... 338 10.3.3. Rampa de corriente en la inductancia .......................................................... 338 10.3.4. Steady-state .................................................................................................. 339 10.3.5. Ley de voltios por segundo .......................................................................... 339 10.3.6. Duty cycle .................................................................................................... 340 10.3.7. Función de transferencia DC ....................................................................... 340 10.3.8. Modos de funcionamiento ........................................................................... 340 10.3.9. Ecuaciones comunes a cualquier topología ................................................. 340 10.4. La topología buck-boost ................................................................................... 341 10.4.1. Parámetros utilizados ................................................................................... 341 10.4.2. Corriente por cada componente del buck-boost respecto a D ...................... 342 10.4.3. Corriente por cada componente del buck-boost versus la carga .................. 343 10.5. Corrientes parásitas a través de los radiadores ............................................. 343 10.5.1. Corrientes parásitas en los chasis metálicos ................................................ 344 10.5.2. Nodo de conmutación .................................................................................. 346 10.5.3. PADS de alta corriente ................................................................................ 347 10.6. Efectos parásitos de los componentes y el PCB ............................................. 347 10.6.1. Equilibrado de las corrientes en los condensadores de entrada ................... 348 10.6.2. Snubbers ...................................................................................................... 349 10.6.3. Transformadores .......................................................................................... 351 10.6.4. Bobinas toroidales ....................................................................................... 353 10.6.5. Reducción de la ESL de los condensadores THT ........................................ 354 11. Osciladores de cuarzo ...................................................... 355 11.1. Cristales de cuarzo ........................................................................................... 355 11.1.1. Teoría de la oscilación ................................................................................. 355 11.1.2. Elegir el cristal de cuarzo adecuado ............................................................. 356 11.1.3. ¿Por qué cristales de cuarzo? ....................................................................... 357 11.1.4. Temporización y precisión........................................................................... 357 11.1.5. La tolerancia en frecuencia .......................................................................... 358 11.1.6. Estabilidad en frecuencia ............................................................................. 358 11.1.7. Envejecimiento (Aging) ............................................................................... 358 11.1.8. Capacidad de carga ...................................................................................... 359 11.2. Resonancia en serie y paralelo ........................................................................ 359 11.2.1. Resonancia en serie ...................................................................................... 360 11.2.2. Resonancia en paralelo ................................................................................ 361 11.2.3. Tiempo de arranque del oscilador ................................................................ 362 11.2.4. Tolerancia en frecuencia y capacidad de carga ............................................ 363 11.2.5. Nivel de potencia aplicada (drive level) ....................................................... 363 11.2.6. Resistencia negativa ..................................................................................... 363 11.2.7. Variación en la frecuencia (Pullability) ....................................................... 364 11.2.8. Frecuencia fundamental vs. sobretono (Overtone) ...................................... 364 11.2.9. Oscilador Colpitts ........................................................................................ 365 11.3. Consideraciones de diseño ............................................................................... 366 11.3.1. Resonadores cerámicos ................................................................................ 366 11.3.2. Espectro distribuido (Spread Spectrum Clocking) ....................................... 369 12. Consideraciones de software ........................................... 371 12.1. El software también importa .......................................................................... 371 12.2. Reducción de las emisiones electromagnéticas .............................................. 372 12.3. Mejora de la inmunidad. Debouncing ............................................................ 374 12.3.1. Niveles de las entradas ................................................................................. 375 12.3.2. Ciclo de histéresis en las entradas ................................................................ 376 12.3.3. Evolución de las entradas analógicas ........................................................... 377 12.3.4. Muestreo de señales analógicas ................................................................... 378 12.4. Inmunidad en los buses de comunicaciones ................................................... 378 12.5. El Watchdog ...................................................................................................... 378 12.5.1. Estrategia del watchdog ............................................................................... 378 12.5.2. Comprobación del buen funcionamiento del watchdog ............................... 379 12.6. Interrupciones .................................................................................................. 380 13. Investigación de causas .................................................... 381 13.1. Líneas generales para la investigación ........................................................... 381 13.2. ¿Que hacer con los problemas de emisiones radiadas? ................................ 382 13.2.1. Identificación y reducción de las interferencias ........................................... 382 13.2.2. Búsqueda de fuentes de interferencia con sondas ........................................ 384 13.2.3. Deshabilitar partes del sistema .................................................................... 386 13.2.4. Identificación de cables que radian .............................................................. 386 13.2.5. Kit de EMC .................................................................................................. 387 13.2.6. La prueba del lápiz ....................................................................................... 388 13.2.7. Variación de la frecuencia de trabajo ........................................................... 388 13.2.8. Colocación de filtros .................................................................................... 388 13.2.9. Problemas en emisiones conducidas ............................................................ 389 13.3. Test de inmunidad ........................................................................................... 389 13.3.1. Inyectando ruido en los circuitos ................................................................. 389 13.3.2. Inyectando transitorios en las entradas ........................................................ 390 14. Preguntas y Respuestas .................................................... 391 14.1. Preguntas frecuentes sobre problemas de EMC ........................................... 391 14.2. Entrevista en el departamento de diseño electrónico .................................... 403 15. Datos prácticos .................................................................. 409 15.1. Unidades y símbolos ......................................................................................... 409 15.2. Aproximaciones interesantes .......................................................................... 411 15.2.1. Líneas de transmisión .................................................................................. 411 15.2.2. Vías .............................................................................................................. 411 15.2.3. Planos .......................................................................................................... 411 15.2.4. Condensadores ............................................................................................. 411 15.2.5. Varios .......................................................................................................... 411 15.2.6. Elementos parásitos de las vías .................................................................... 412 15.3. Check list de diseño de circuitos impresos. .................................................... 415 15.3.1. Planos de alimentación y masa .................................................................... 415 15.3.2. Pistas de circuito impreso ............................................................................ 415 15.3.3. Componentes ............................................................................................... 415 15.3.4. Microcontroladores ...................................................................................... 415 15.3.5. CAN y LIN .................................................................................................. 416 15.3.6. Partición de circuitos ................................................................................... 416 15.3.7. Supresión de ruido en el origen ................................................................... 416 15.3.8. Supresión del acoplamiento de ruido ........................................................... 416 15.3.9. Reducción de ruido en el receptor. .............................................................. 417 15.3.10. Otros ...................................................................................................... 417 16. Glosario ............................................................................. 419 Bibliografía ...................................................................... 429
A color
Páginas:
438
Edición:
1
Año Publicación:
07/03/2010 0:00:00
ISBN:
9788426716439
Formato:
21x29.7 cms
Colección

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