Mejorando la inmunidad a EMN en sistemas de comunicaciones seriales (TEL059S)

En el reciente (2009) Application Note, National Semiconductor (*) (www.national.com) describe métodos para mejorar la inmunidad a los ruidos electromagnéticos (EMN) en sistemas que utilizan comunicación serial. Destacando que tales sistemas son susceptibles a la interrupción en la transmisión de datos lo que provoca su corrompimiento en sistemas médicos, automotrices, de telecomunicaciones, laboratorios de prueba y muchos otros. A continuación, basados en esta documentación, daremos algunas recomendaciones para evitar los ruidos electromagnéticos, restringidos a señales de comunicación.

 

(*) National Semiconductor es ahora una empresa del grupo Texas Instruments.

 

Recomendaciones:

Los componentes de red y de comunicaciones en serie, como los de National Semiconductor, están diseñados para proporcionar una comunicación robusta, incluso en lugares ruidosos. Los recursos destinados a soportar una operación robusta incluyen>

• Protección contra descarga electrostática (ESD)

• Rechazo de señales en modo común robusto.

• Rechazo robusto a los ruidos de la fuente de alimentación.

 

Además, para el proyecto del sistema, se recomiendan las siguientes precauciones:

• Utilizar par trenzado blindado de alta calidad para interconectar los componentes de las telecomunicaciones.

• Colocar una puesta a tierra en el chasis del sistema para desacoplarlo de la tierra de la PCB interna.

• Utilizar el conector blindado que se conecta al plano de tierra del chasis desacoplado.

• Cuando sea posible, utilizar componentes para supresión de transitorios como diodos, TVS, o GDT.

• Utilizar dispositivos osciladores blindados discretos para generar señales de reloj en lugar de osciladores de cristal conectados al circuito integrado.

• Si es posible utilizar tensiones más altas para las señales IO, 3,3 V en lugar de 2,5 V o 1,8 V.

 

Tipos de ruido y soluciones

Hay tres tipos de fuentes de ruido que pueden afectar a un sistema de comunicaciones electrónicas: contacto directo con fuentes de altas tensiones o corrientes, impulsos de energía inducidos por campos electromagnéticos intensos y pulsos inducidos por campos estáticos.

 

a) Fuentes de ruido por descargas e impulsos - soluciones

Los eventos de descarga pueden ocurrir debido a una descarga electrostática (ESD), rayos o brotes inducidos en la línea de alimentación. Estas muñecas también pueden ser generadas por equipos cercanos que exijan altas corrientes en el proceso de arranque. En la presencia de los pulsos puede ocurrir la corrupción de los datos transmitidos o aún la perdida de sincronismo de los dispositivos del sistema. En los casos graves, los dispositivos pueden dejar de funcionar.

Para mejorar la inmunidad a descargas e impulsos, utilice un chasis separado con tierra propia además de un conector y cables blindados. También es conveniente utilizar un transformador de aislamiento con dispositivos de filtro en modo común, tanto para las señales recibidas como transmitidas.

Además, utilice dispositivos de protección de alta tensión entre las señales de comunicación y la tierra del chasis. Los dispositivos más utilizados son los diodos ESD, TVS, GDT, etc.

Los TVS (Transient Discharge Supresors) tienen la ventaja de operar con altas tasas de corriente (100 A). Sin embargo, estos dispositivos presentan una capacitancia elevada en el rango de 100 pF a 1000 pF, que puede afectar la calidad de las señales y el alcance de las señales.

Los diodos ESD externos están disponibles en diversas configuraciones, presentando una baja capacitancia (

Tanto los TVS como los diodos ESD tienen la ventaja de presentar una baja tensión de ruptura. Esto permite que el proyectista selecciona una tensión cercana a la tensión utilizada en el sistema de telecomunicaciones. Por ejemplo, en un sistema Ethernet de 5 V para operación en 10 Mb / s se pueden utilizar dispositivos de protección con rotura de 7,5 V.

Por otro lado, los dispositivos GDT (Gas Discharge Tubes) presentan baja capacitancia, pueden operar con altas corrientes pero tienen una tensión muy alta de operación, empezando en 75 V.

En la tabla 1 tenemos un resumen de las características de los tres principales dispositivos utilizados en supresión:

 

Dispositivo

Tensión de Ruptura

Capacidad de corriente

Capacitancia de carga

Diodos ESD

Sem minimo

Menor que 30 A

~1 pF

Dispositivos TVS

~ 10 V (min)

Menor que 100 A

~1pF

Dispositivos GDT

~ 75 V (min)

Major que 5 kA

~1pF

 

La figura 1 muestra cómo se debe realizar la implementación de GDT en un sistema de comunicaciones;

 

Figura 1 - Aterramiento del chasis e implementación de los GDT.
Figura 1 - Aterramiento del chasis e implementación de los GDT.

 

 

b) Fuentes estáticas de ruido electromagnético - soluciones

Los campos magnéticos intensos pueden ser causados por la proximidad de equipos de transmisión de energía y señales de alta potencia y también por cables de alta corriente. Con respecto al ruido inducido, las señales de modo común pueden interferir en el reloj causando el daño de datos. En las peores condiciones pueden ocurrir paradas exigiendo la realización de un reset externo u otras interferencias externas.

Como en el caso de los pulsos y ruidos de descarga, una gran inmunidad a los ruidos de campo puede ser alcanzada utilizando una tierra separada para el chasis junto con conectores blindados y cables. El uso de transformadores de aislamiento, con choques en modo común, también puede ser beneficioso. La presencia de vapores AC cercanos con frecuencias que tengan armónicos cercanos a la frecuencia de operación del dispositivo de comunicación puede interferir en su operación.

Por ejemplo, si un dispositivo de comunicaciones funciona utilizando un oscilador de 25 MHz, campos fuertes con frecuencias de 25 MHz, 75 MHz, 125 MHz, etc. se generan con peligro potencial de interferir en la operación de los dispositivos. La interferencia puede ocurrir con estímulos erráticos de la E / S incluyendo fuentes externas de reloj.

Para ayudar a evitar problemas, se recomienda que los osciladores externos sean blindados, así como evitar osciladores externos que hacen uso de cristales. Otro recurso consiste en utilizar tensiones mayores para las señales I/O como 3,3 V en lugar de 2,5 V o 1,8 V.

 

Pruebas IEC

La International Electrotechnical Comission (IEC) tiene varios estándares para asegurar una operación robusta de equipos en locales hasta 3000 A y 6 kV. Para los lectores interesados en estos estándares, sugerimos consultar el Application Note AN-1881 de National que da buena información sobre ellos.