Compatibilidad Electromagnética y Seguridad Funcional en Sistemas Electrónicos

Abreviaturas...xix
Pr¢logo.21
Introducci¢n.. ................................................................................. 23
1. EMC y Seguridad funcional .............................................. 31
1.1. ¿Qu? son la EMC y la Seguridad funcional? ................................................... 31
1.1.1. Consecuencias de fallos en Seguridad funcional ........................................... 31
1.1.2. Relaci¢n 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. Helic¢ptero UH-60 Blackhawk ..................................................................... 35
1.2.5. Frenos ABS en un conocido fabricante de coches alem n ............................ 36
1.3. Compatibilidad electromagn?tica ..................................................................... 36
1.3.1. Inmunidad electromagn?tica .......................................................................... 37
1.3.2. Emisiones electromagn?ticas ......................................................................... 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 propagaci¢n del ruido ................................................................ 40
1.3.7. Receptor del ruido .......................................................................................... 40
1.3.8. ¿C¢mo debemos dise¿ar los circuitos electr¢nicos? ...................................... 41
1.3.9. EMC desde el inicio del dise¿o ..................................................................... 42
1.3.10. ¿Por d¢nde empezamos? ................................................................................ 43
1.3.11. M?todos de dise¿o de EMC ........................................................................... 45
1.3.12. Auto-compatibilidad o integridad de la se¿al ................................................ 46
1.3.13. Las cuatro fuentes de distorsi¢n de la se¿al ................................................... 47
2. Seguridad Funcional (Functional Safety) ......................... 49
2.1. Conceptos de seguridad funcional .................................................................... 49
2.1.1. ¿Qu? es la seguridad funcional en sistemas electr¢nicos? ............................. 49
2.1.2. Funciones de seguridad .................................................................................. 50
2.1.3. Safety Integrity Level SIL (Nivel de Seguridad Integral) .............................. 50
2.1.4. Clasificaci¢n de las funciones de seguridad .................................................. 51
2.1.5. An lisis de peligros (Hazard analysis) .......................................................... 51
2.1.6. Identificaci¢n de riesgos (Risk assesment)..................................................... 51
2.1.7. Desaf¡os al trabajar con seguridad funcional ................................................. 52
2.2. El porqu? 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. Tecnolog¡a 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 electromagn?ticos ....................................... 59
3.1. Campos electromagn?ticos ................................................................................ 59
3.2. Campo el?ctrico .................................................................................................. 59
3.2.1. Cargas y electrones ........................................................................................ 60
3.2.2. ¿C¢mo se representa el campo el?ctrico? ...................................................... 60
3.2.3. Potencial el?ctrico 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 t?rmino (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 §C) .................................................. 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. Diel?ctricos (Dielectric strength) .................................................................. 70
3.3.19. Influencia del diel?ctrico 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. Energ¡a almacenada (Joules o Watio/segundo) ............................................. 74
3.3.26. Campo el?ctrico 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 trav?s del condensador ................................................................ 76
3.3.30. Reactancia de un condensador ....................................................................... 77
3.3.31. Impedancia total de un condensador .............................................................. 77
3.3.32. µngulo de fase ............................................................................................... 78
3.3.33. Factor de disipaci¢n (%) ................................................................................ 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 magn?tico............................................................................................... 80
3.4.1. Campo inducido ............................................................................................. 81
3.5. La inductancia .................................................................................................... 81
3.5.1. ¿Qu? 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 modulaci¢n de la impedancia ................................................................... 86
3.5.9. Bobinas conectadas en serie .......................................................................... 87
3.5.10. Capacidad par sita 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. Rel?s y contactores ............................................................................................. 92
3.6.1. Control de la bobina del rel? .......................................................................... 92
3.6.2. Desactivaci¢n ................................................................................................. 93
3.6.3. Cargas inductivas en los contactos de los rel?s .............................................. 94
3.6.4. Sobre tensiones generadas ............................................................................. 94
3.6.5. Ejemplo pr ctico ............................................................................................ 95
3.6.6. Protecci¢n con varistores ............................................................................... 96
3.6.7. Alimentaci¢n y retornos de rel?s y motores................................................... 97
3.7. Dise¿o orientado a EMC ................................................................................... 98
3.7.1. Cancelaci¢n del flujo magn?tico .................................................................... 99
3.7.2. Componentes no ideales .............................................................................. 100
3.7.3. Antenas ocultas ............................................................................................ 100
3.7.4. Componentes ocultos ................................................................................... 101
3.8. Conceptos b sicos de EMC y RF (radiofrecuencia) ...................................... 102
3.8.1. Ancho de banda y amplitud de la se¿al medida ........................................... 102
3.8.2. Tipos de detecci¢n ....................................................................................... 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. Inyecci¢n de corriente (BCI Bulk Current injection) ................................... 109
3.9. ESD (Descargas de electricidad est tica) ....................................................... 110
3.9.1. Campos est ticos ......................................................................................... 110
3.9.2. Formas de onda de las descargas electrost ticas .......................................... 111
3.9.3. Efecto triboel?ctrico ..................................................................................... 112
3.9.4. Fallos provocados por eventos de ESD ....................................................... 112
3.9.5. Tipos de descargas ....................................................................................... 113
3.9.6. Da¿o causado por corrientes de ESD fluyendo en circuitos ........................ 113
3.9.7. Da¿o causado por corrientes de ESD fluyendo a trav?s de masa ................ 114
3.9.8. Da¿o causado por campos electromagn?ticos ............................................. 114
3.9.9. Da¿o causado por pre-descargas de campo el?ctrico ................................... 115
3.9.10. Generador de ESD auto construido.............................................................. 116
3.9.11. Diagn¢sticos y soluciones ............................................................................ 116
3.9.12. Conceptos relacionados con el an lisis de fen¢menos 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. M?todos de acoplo del ruido ................................................. 125
4.2.1. Acoplo de impedancia com£n. ..................................................................... 127
4.2.2. Acoplo por campo electromagn?tico ........................................................... 127
4.2.3. Acoplo radiado. Campo magn?tico.............................................................. 128
4.2.4. Acoplo radiado. Campo el?ctrico ................................................................ 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 com£n ................................................................. 132
4.3.3. ¿Qu? es la capacidad mutua? ....................................................................... 132
4.3.4. Relaci¢n 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. Reducci¢n del crosstalk capacitivo .............................................................. 137
4.3.8. Crosstalk inductivo ...................................................................................... 137
4.3.9. Relaci¢n 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 l¡neas ........................................................... 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 alimentaci¢n ................................................. 144
4.3.16. T?cnicas de dise¿o para prevenir el crosstalk .............................................. 145
4.4. El ground bounce .............................................................................................. 146
4.4.1. Etapas de salida ........................................................................................... 147
4.4.2. Inductancias par sitas .................................................................................. 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 tensi¢n 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 radiaci¢n ...................................................................... 163
5.1. Tiempo y frecuencia ......................................................................................... 163
5.1.1. Dominio temporal ........................................................................................ 163
5.1.2. Dominio frecuencial .................................................................................... 164
5.2. Campos electromagn?ticos y radiaci¢n .......................................................... 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. Part¡culas cargadas ....................................................................................... 170
5.2.5. Movimiento de las part¡culas ....................................................................... 170
5.2.6. El fen¢meno de la radiaci¢n ........................................................................ 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 com£n ........................................ 173
5.3.1. Corrientes en modo diferencial .................................................................... 174
5.3.2. Radiaci¢n en modo diferencial .................................................................... 174
5.3.3. Ejemplo de reducci¢n de interferencias en modo diferencial ...................... 176
5.3.4. Corrientes en modo com£n .......................................................................... 178
5.3.5. Emisi¢n de interferencias en modo com£n .................................................. 180
5.3.6. Conversi¢n entre el modo diferencial y el modo com£n ............................. 180
5.3.7. Asimetr¡a en un circuito impreso de dos capas ............................................ 181
5.3.8. Asimetr¡as en componentes ......................................................................... 182
5.3.9. Aislamiento mediante bobina de modo com£n ............................................ 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. L¡neas de transmisi¢n ...................................................... 189
6.1. Introducci¢n ..................................................................................................... 189
6.1.1. Material del circuito impreso ....................................................................... 190
6.1.2. Constante diel?ctrica .................................................................................... 190
6.1.3. Factor de disipaci¢n ..................................................................................... 191
6.1.4. Resistencia de la superficie y volumen en el material diel?ctrico ................ 191
6.1.5. Resistencia al cortocircuito (Dielectric Strength Breakdown) ..................... 192
6.1.6. Interconexiones ............................................................................................ 192
6.1.7. L¡nea capacitiva (puntual) ........................................................................... 193
6.1.8. Pistas el?ctricamente largas ......................................................................... 193
6.1.9. La velocidad de la luz .................................................................................. 194
6.1.10. Tiempo de propagaci¢n ............................................................................... 195
6.2. Par metros de las l¡neas de transmisi¢n ........................................................ 196
6.2.1. Impedancia caracter¡stica ............................................................................. 196
6.2.2. La impedancia caracter¡stica versus forma f¡sica de la l¡nea ....................... 198
6.2.3. Impedancia y resistencia .............................................................................. 199
6.2.4. L¡neas de transmisi¢n en circuitos impresos. Microstrip ............................. 199
6.2.5. Stripline ....................................................................................................... 200
6.2.6. Microstrip diferencial .................................................................................. 201
6.2.7. Stripline diferencial sim?trica ...................................................................... 201
6.2.8. Retardo y velocidad de propagaci¢n ............................................................ 202
6.2.9. Inductancia y capacidad de las l¡neas .......................................................... 203
6.2.10. Amplitud de la se¿al sobre la l¡nea de transmisi¢n ...................................... 203
6.2.11. Corriente en la l¡nea de transmisi¢n ............................................................. 204
6.2.12. Divisi¢n de l¡neas ........................................................................................ 206
6.3. Retornos de las l¡neas de transmisi¢n. Retornos ideales ............................... 206
6.3.1. Retorno de corriente en una l¡nea microstrip referenciada a masa .............. 207
6.3.2. Retorno de corriente en una stripline ........................................................... 209
6.3.3. Cuando plano de alimentaci¢n y driver no tienen el mismo voltaje ............ 210
6.4. Reflexiones en la l¡nea de transmisi¢n ............................................................ 211
6.4.1. Final de l¡nea sin la impedancia correcta ..................................................... 212
6.4.2. Terminaci¢n de AC ...................................................................................... 214
6.4.3. Efectos de la frecuencia de las se¿ales ........................................................ 214
6.4.4. Amortiguaci¢n (Damping) ........................................................................... 215
6.4.5. µngulos de las pistas ................................................................................... 216
6.5. Retornos no ideales .......................................................................................... 217
6.5.1. Acoplo de dos l¡neas atravesando un corte del plano de masa ..................... 218
6.5.2. Salto de capa ................................................................................................ 219
6.5.3. Mala interconexi¢n de planos ...................................................................... 221
6.5.4. Otros retornos no ideales ............................................................................. 222
6.5.5. Caracter¡sticas comunes de los retornos no ideales ..................................... 223
6.6. Atenuaci¢n de las se¿ales ................................................................................ 223
6.6.1. Resistencia del cobre ................................................................................... 223
6.6.2. Resistencia de las v¡as ................................................................................. 226
6.6.3. P?rdidas 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. Absorci¢n del diel?ctrico ............................................................................. 229
6.6.7. Degradaci¢n de los flancos .......................................................................... 229
6.6.8. Impedancia de 50 ¢ 75 Ohm ........................................................................ 230
6.6.9. Pre-?nfasis ................................................................................................... 230
7. T?cnicas de trazado del circuito impreso ....................... 231
7.1. Circuitos impresos ........................................................................................... 231
7.1.1. Segregaci¢n de circuitos .............................................................................. 231
7.2. Planos de alimentaci¢n y de masa .................................................................. 233
7.2.1. Impedancia caracter¡stica ............................................................................. 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 alimentaci¢n ........................................................................... 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. Distribuci¢n 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 alimentaci¢n ................................... 245
7.2.17. Desacoplo a un plano equivocado ............................................................... 246
7.3. Conexi¢n de planos de masa (Grounding) ...................................................... 247
7.3.1. Configuraciones de masa en estrella y en serie ............................................ 247
7.3.2. Masa h¡brida ................................................................................................ 248
7.3.3. Conectando los planos juntos ...................................................................... 249
7.4. Las v¡as ............................................................................................................. 250
7.4.1. Resistencia de las v¡as ................................................................................. 250
7.4.2. Capacidad de corriente de las v¡as ............................................................... 251
7.4.3. Capacidad e inductancia de las v¡as ............................................................. 252
7.4.4. Capacidad de las v¡as .......