Melhorando a Imunidade a EMN em Sistemas de Comunicações Serial (TEL054)

Num Application Note de 2009, a National Semiconductor (*) (www.national.com) descreve métodos de seu melhorar a imunidade a ruídos eletromagnéticos (EMN) em sistemas que fazem uso de comunicação serial. Destacando que tais sistemas são susceptíveis a interrupção na transmissão de dados o que provoca seu corrompimento em sistemas médicos, automotivos, de telecomunicações, laboratórios de teste e muitos outros. A seguir, baseados nesta documentação daremos algumas recomendações para evitar os ruídos eletromagnéticos, restritos a sinais de comunicação.

Recomendações:

Os componentes de rede e para comunicações serial, como os da National Semiconductor, são projetados para fornecer uma comunicação robusta, mesmo em locais ruidosos. Os recursos destinados a suportar uma operação robusta incluem:

* Proteção contra descarga eletrostática (ESD)

* Rejeição de sinais em modo comum robusta.

* Rejeição robusta a ruídos da fonte de alimentação.

Além disso, para o projeto do sistema, recomendam-se as seguintes precauções:

* Usar par trançado blindado de alta qualidade para interligar os componentes de telecomunicações.

* Colocar um aterramento no chassi do sistema de modo a desacoplá-lo do terra da PCB interna.

* Usar conector blindados que são conectados ao plano de terra do chassi desacoplado.

* Onde possível, usar componentes para supressão de transientes como diodos, TVS, ou GDTs.

* Usar dispositivos osciladores blindados discretos para gerar sinais de clock em lugar de osciladores a cristal conectados ao circuito integrado.

* Se possível utilizar tensões mais altas para os sinais IO, 3,3 V em lugar de 2,5 V ou 1,8 V.

Tipos de Ruídos e Soluções

Existem três tipos de fontes de ruídos que podem afetar um sistema de comunicações eletrônicas: contacto direto com fontes de altas tensões ou correntes, pulsos de energia induzidos por campos eletromagnéticos intensos e pulsos induzidos por campos estáticos.

a) Fontes de ruído por descargas e impulsos - soluções

Os eventos de descarga podem ocorrer devido a uma descarga eletrostática (ESD), raios ou surtos induzidos na linha de alimentação. Estes pulsos também podem ser gerados por equipamentos próximos que exijam altas correntes no processo de partida. Na presença dos pulsos pode ocorrer a corrupção dos dados transmitidos ou ainda a prda de sincronismo dos dispositivos do sistema. Nos casos graves os dispositivos podem deixar de funcionar.

Para melhorar a imunidade à descargas e impulsos, utilize um chassi separado com terra próprio além de um conector e cabos blindados. Também é conveniente utilizar um transformador de isolamento com dispositivos de filtro em modo comum, tanto para os sinais recebidos como transmitidos.

Além disso, utilize dispositivos de proteção de alta tensão entre os sinais de comunicação e o terra do chassi. Os dispositivos mais utilizados são os diodos ESD, TVS, GDT, etc.

Os TVS (Transient Discharge Supressors) têm a vantagem de operar com elevadas taxas de corrente (100 A). No entanto estes dispositivos apresentam uma capacitância elevada na faixa dos 100 pF aos 1000 pF, que pode afetar a qualidade dos sinais e o alcance dos sinais.

Os diodos ESD externos são disponíveis em diversas configurações, apresentando uma baixa capacitância (<1 pF) mas também tem menor capacidade de corrente. Estes componentes devem ser utilizados nos sistema que exigem uma proteção extra contra ESD, mas não são necessariamente apropriados para os casos em que se exige uma proteção contra transientes rápidos.

Tanto os TVSs como diodos ESD têm a vantagem de apresentarem uma baixa tensão ruptura. Isso permite que o projetista seleciona uma tensão próxima da tensão utilizada no sistema de telecomunicações. Por exemplo, num sistema Ethernet de 5 V para operação em 10 Mb/s pode-se utilizar dispositivos de proteção com ruptura de 7,5 V.

Por outro lado, os dispositivos GDT (Gas Discharge Tubes) apresentam baixa capacitância, podem operar com altas correntes mas têm uma tensão muito alta de operação, começando em 75 V.

Na tabela 1 temos um resumo das características dos três principais dispositivos utilizados em supressão:

A figura 1 mostra como deve ser feita a implementação de GDTs num sistema de comunicações;

Figura 1 - Aterramento do chassi e implementação dos GDTs.

b) Fontes estáticas de ruído eletromagnético - soluções

Campos magnéticos intensos podem ser causados pela proximidade de equipamentos de transmissão de energia e sinais de alta potência e também por cabos de alta corrente. Com relação ao ruído induzido, sinais de modo comum podem interferir no clock causando o corrompimento de dados. Nas piores condições podem ocorrer paradas exigindo a realização de um reset externo ou outras interferências externas.

Como no caso dos pulsos e ruídos de descarga, uma grande imunidade aos ruídos de campo pode ser alcançada utilizando-se um terra separado para o chassi em conjunto com conectores blindados e cabos. O uso de transformadores de isolamento, com choques em modo comum, também pode ser benéfico. A presença de vcampos AC próximos com frequências que tenham harmônicos próximos da frequência de operação do dispositivo de comunicação pode interferir em sua operação.

Por exemplo, se um dispositivo de comunicações opera usando um oscilador de 25 MHz, campos fortes com frequências de 25 MHz, 75 MHz, 125 MHz, etc. são gerados com perigo potencial de interferir na operação dos dispositivos. A interferência pode ocorrer com estímulos erráticos da I/O incluindo fontes externas de clock.

Para ajudar a evitar problemas é recomendado que osciladores externos sejam blindados assim como evitar osciladores externos que fazem uso de cristais. Outro recurso consiste em se utilizar tensões maiores para os sinais I/O como 3,3 V em lugar de 2,5 V ou 1,8 V.

Testes IEC

A International Electrotechnical Comission (IEC) possui diversos padrões para assegurar uma operação robusta de equipamentos em locais até 3000 A e 6 kV. Para os leitores interessados nestes padrões, sugerimos consultar o Application Note AN-1881 da National que dá boas informações sobre eles.