Tabla de contenido

🔸 Introducción

La protección contra ESD (Descargas Electroestáticas) y EMI (Interferencia Electromagnética) es esencial en el diseño con circuitos integrados para garantizar su funcionamiento fiable en entornos eléctricamente hostiles. Estos dos aspectos son críticos para prevenir daños a los componentes electrónicos y asegurar que el sistema cumpla con los estándares de emisiones electromagnéticas

📘 Fundamento Teórico

📖 Protección contra ESD (Descargas Electroestáticas):

Las ESD son descargas repentinas de electricidad estática que pueden dañar los componentes electrónicos sensibles, como los circuitos integrados. Para protegerlos contra ESD, se utilizan diversas estrategias, incluyendo:

  1. Diseño de circuitos: El diseño de placas de circuito impreso (PCB) debe incluir caminos de retorno de alta impedancia, diodos de protección, y evitar esquinas afiladas para minimizar la acumulación de cargas estáticas.
  2. Componentes de protección: Se pueden incorporar diodos de supresión de voltaje, varistores y condensadores de desacople para desviar y absorber las descargas ESD.
  3. Recubrimientos protectores: Algunos circuitos integrados y PCBs se recubren con materiales aislantes o antiestáticos para prevenir la acumulación de cargas.
  4. Pruebas de ESD: Los microcontroladores se someten a pruebas de ESD para evaluar su resistencia a descargas electroestáticas y garantizar que cumplan con las normativas aplicables.

Señal de ESD

Señal de ESD

Bolsa anti ESD

Bolsa anti ESD

Guantes anti ESD

Guantes anti ESD

📄 Modelos de evaluación de descargas electrostáticas (ESD)

  1. Modelo de Cuerpo Humano (Human Body Model - HBM):

    El HBM simula una descarga electrostática generada por el cuerpo humano. Este modelo se utiliza para evaluar la resistencia de un dispositivo a las descargas electrostáticas que pueden ocurrir cuando una persona toca o manipula el dispositivo sin la debida descarga de electricidad estática acumulada en su cuerpo. Se supone que la descarga se realiza a través de un dedo humano.

  2. Modelo de Carga de Dispositivo (Device Charge Model - CDM):

    El CDM simula una descarga electrostática que ocurre cuando un dispositivo cargado se descarga en otro dispositivo o componente. Representa situaciones en las que un dispositivo, como un chip o un componente, se descarga en otro durante el proceso de fabricación o manipulación. En este caso, no se simula la descarga a través del cuerpo humano, sino una descarga directa entre dispositivos.

  3. Modelo de Máquina (Machine Model - MM):

    El MM simula una descarga electrostática que puede ocurrir en el entorno de fabricación o durante la manipulación automatizada. Se utiliza para evaluar la resistencia de los dispositivos a las descargas electrostáticas que pueden generarse en el entorno de la máquina durante la producción, almacenamiento o transporte. El MM se considera más severo que el HBM porque las descargas pueden ser más intensas y rápidas.

📖 Protección contra EMI (Interferencia Electromagnética)

La Interferencia Electromagnética (EMI) es un fenómeno que afecta el rendimiento de los sistemas electrónicos al introducir señales no deseadas en el entorno electromagnético. Su origen radica en la emisión de campos electromagnéticos que pueden interferir con otros dispositivos cercanos. Las principales fuentes de EMI incluyen:

  1. Conmutación de Corriente: Cambios rápidos en corrientes eléctricas, como los producidos por interruptores o transistores, generan campos electromagnéticos.
  2. Transmisión de Datos: Dispositivos de transmisión, como cables o antenas, emiten señales electromagnéticas que pueden interferir con otros sistemas.
  3. Descargas Eléctricas: Descargas eléctricas repentinas, como las producidas por descargas electrostáticas (ESD), generan campos electromagnéticos.
  4. Conexiones de Alta Frecuencia: Componentes que operan a frecuencias elevadas pueden generar EMI, especialmente si las conexiones no están diseñadas adecuadamente.

👁️ Ejemplo

“Así es el software que obra maravillas en el Falcon 9 de SpaceX: Linux y un sistema de redundancia triple para evitar fallos”

Una de las claves del sistema es el sistema de triple redundancia para evitar cualquier tipo de fallo y dirigir las decisiones que va tomando el software a la hora de controlar por ejemplo el cohete Falcon 9.

¿Por qué esa triple redundancia? Entre otras cosas por la radiación solar, que puede causar que los bits cambien de 0 a 1 o viceversa sin más. Con esa redundancia es posible detectar esas posibles situaciones. Las misiones suborbitales están poco expuestas a esta radiación, pero misiones en órbita o en "espacio profundo" incluso utilizan componentes físicos con aislantes específicos para evitar la exposición a esa radiación.

Este concepto de triple redundancia del que hablábamos hace uso de tres sistemas idénticos que procesan la información y llegan a un resultado. Teóricamente ese resultado "se vota" por mayoría, de forma que solo se produce un resultado definitivo y que, además, si uno de los tres falla los otros dos pueden "enmascarar" ese resultado diferente.

image.png

Así es el software que obra maravillas en el Falcon 9 de SpaceX: Linux y un sistema de redundancia triple para evitar fallos

📄 Mitigación de EMI en Sistemas Electrónicos:

  1. Filtrado: Se utilizan filtros de ruido, como inductores y condensadores, en las líneas de alimentación y señal para atenuar las perturbaciones de alta frecuencia.
  2. Blindaje: Se pueden incorporar capas de blindaje metálico en las PCB o carcasas para bloquear las radiaciones electromagnéticas y evitar que interfieran con el funcionamiento del microcontrolador.
  3. Diseño de PCB: Un diseño de PCB adecuado, con trazados de pistas de señal cuidadosamente planificados y tierras separadas para señales analógicas y digitales, ayuda a reducir la propagación de EMI.
  4. Normativas y pruebas: Es importante asegurarse de que el diseño cumpla con las regulaciones de emisiones electromagnéticas aplicables y realizar pruebas de EMI para verificar el cumplimiento.

Funcionamiento capacitor de desacoplo

Funcionamiento capacitor de desacoplo

Posicionamiento de un capacitor de desacoplo

Posicionamiento de un capacitor de desacoplo

🧠 Ejercicios

<aside> ℹ️ Leer AppNote EMC Desing Consideration para ver la configuración del pin de RESET y el valor del capacitor de desacoplo para el atmega328p empaquetado DIP

Atmel-1619-EMC-Design-Considerations_ApplicationNote_AVR040.pdf

</aside>

❗Véase también

Decoupling and Filtering Capacitors Guideline

✔️ Referencias

Desco Europe. (2022, April 26). The Different ESD Events and their Models - HBM, CDM and MM. Desco Europe Blog; Desco Europe. https://desco-europe-esd-protection.blog/2022/04/26/the-different-esd-events-and-their-models-hbm-cdm-and-mm/

Tomáš Zedníček. (2019, June 20). Decoupling and Filtering Capacitors Guideline. Passive Components Blog; Passive Components Blog. https://passive-components.eu/kemet-decoupling-and-filtering-capacitors-guideline/

When and How To Use a Decoupling Capacitor in Your PCB. (2019, November 12). Upverter Blog; Upverter Blog. https://blog.upverter.com/2019/11/12/when-and-how-to-use-a-decoupling-capacitor-in-your-pcb/