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Andrés Djordjalian <andres@indicart.com.ar>Seminario de Sistemas Embebidos

Facultad de Ingeniería de la U.B.A.

Consejos para Diseño de Hardware

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Entradas Paralelas AsincrónicasAlrededor del flanco de clock, hay una “ventana” de tiempo durante la cual no deberían cambiar las señales de entrada

Pero si esas entradas no están sincronizadas con la MCU, no hay manera de evitarloSi cambian durante la ventana, el comportamiento es indefinido

• Quizás se lea 1, quizás 0, o quede “grogüi” y, después de un tiempo de duración indeterminada pero corta, pase a ser 0 o 1

– A esta última condición se la denomina meta-estabilidad.

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¿Qué pasa si se viola tsetup y/o thold?Si se trata de un entrada individual, no hay problema

Mientras la MCU tenga, internamente, sincronizadores para resolver la meta-estabilidad, que es lo usualSe leerá el nuevo valor, o el viejo (como si el nuevo entrase recién después de la ventana)

Si se trata de una entrada de varias conexiones, síhay problema

Algunos bits se leerán con su nuevo valor, otros con el viejo, resultando un dato de entrada erróneoSolución: aprovechar una conexión de handshaking

• Un request, cuyo valor sea cambiado, por el emisor, recién cuando aquellos bits en paralelo (o sea, datos) estén estables con sus nuevos valores

– Recordar el two-phase handshaking y el four-phasehandshaking de la actividad de la presentación sobre modelado

– El handshaking también sirve determinar cuándo se transmitióun nuevo dato y cuándo está disponible el receptor para recibir

Otra solución: leer varias veces y aceptar una entrada sólo cuando dos lecturas seguidas son iguales

• Útil sólo cuando la frecuencia de los datos de entrada no es demasiado alta y no hace falta el handshaking

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Capacitores ElectrolíticosCómo están construidos:

Una “placa” es un foil de aluminioLa otra es un electrolito (o sea, un fluido conductor)El dieléctrico es una capa de óxido entre ambas

Problema: la capa de óxido se disuelveEl funcionamiento normal va regenerando la capaPero, si se disuelve mucho, puede quedar en corto

• Y si la corriente no está lo suficientemente limitada por otros componentes, podemos tener un show de papelitos y olor a electrolito evaporado

Para evitarlo:• No hay que tenerlos muchos tiempo (años) sin usarse

– En especial si es a alta temperatura– Si se lo hizo, se puede regenerar la capa, sometiéndolos a una

corriente de valor limitado• Evitar especificarlos de tensión muy superior a la que van a ser

sometidos• Desde ya, respetar la polaridad

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Capacitores Electrolíticos (cont.)Problema: el electrolito se evapora

Resultado: pierde capacitanciaPor esto es que la vida útil de los electrolíticos es bastante limitada

• Ej.: a las 1000 horas a temperatura (interna) máxima, puede perder un 20% de la capacitancia inicial

– Esa duración (y la vida útil del componente) crece exponencialmente con la baja de la temperatura

» Esto es un corolario de la Ley de Arrhenius– Tener en cuenta que, si el capacitor está siendo cargado y

descargado, se eleva la temperatura internaPara aumentar la vida útil del capacitor:

• No superar la corriente de ripple especificada por el fabricante– Iripple = corriente media de carga y descarga

• Usar los de mayor temperatura de trabajo, de ser necesario– Típicamente los hay de 85ºC y 105ºC– También hay series especiales para alta Iripple

• Evitar exponerlos al calor

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Capacitores Electrolíticos (cont.)Problema: la resistencia equivalente serie (ESR) no es despreciable

ESR = equivalent series resistanceDebido, principalmente, a la resistividad del electrolitoLos fabricantes a veces dan la ESR (máxima) en ohms

• Pero más frecuentemente la expresan por medio del factor de disipación (tan δ) máximo a una frecuencia determinada

– tan δ = XR/XC = ESR / 1/ωCResultado: el capacitor no filtra bien la alta frecuencia

• Otro corolario es que la Iripple incide sensiblemente en la temperatura interna, pero eso ya fue tratado en la diapositiva anterior

Si esto constituye un problema, se puede optar por alguna de las siguientes soluciones (usar la que se ajuste al caso):

• Poner otro capacitor (ej., cerámico) en paralelo con el electrolítico• Usar un electrolítico de tantalio• Usar un electrolítico de aluminio pero especial, de baja ESR

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Tolerancias de los Valores Nominales

Siempre presten atención a la tolerancia de los componentes que especifican

Ej., para capacitores electrolíticos, la más común es la tolerancia M (o sea, ±20%)Ej., muchos capacitores cerámicos vienen con tolerancia Z(o sea, -20% / +80%)

• Imagínense si diseñan un filtro o una constante de tiempo sin preocuparse por la tolerancia, y después ponen uno de estos

No especifiquen tolerancias poco comunes, innecesariamente

Ej., un resistor al 1% no es ni muy caro ni imposible de conseguir, pero:

• Aumenta el riesgo de que el proveedor de componentes no tenga stock

• Complica la uniformización de los componentes– Haciendo más complejas las compras, el

stock, el armado y el mantenimiento

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Descargas Electroestáticas en las Entradas

El cuerpo humano puede estar cargado con miles de voltios

Hasta unos 20 KV

Si entonces toca un sistema electrónico, esa energía puede terminar en alguna juntura y destruirla

Particularmente, si la tensión es suficiente como para formarse un arco voltaicoEste problema es más grave en sitios con clima seco

Los circuitos integrados generalmente tienen protecciones (limitadas) contra estas descargas electroestáticas (ESD)

En muchos casos se justifica aumentarla, poniendo en paralelo dispositivos de descarga de transitorios, que funcionan de manera similar a los diodos Zener

• Esos dispositivos también sirven para filtrar transitorios de la línea de 220 volts, o producidos por relés, etc.

ESD = electrostatic discharge

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Dispositivos Típicos Para Absorber Transitorios

Diodo ZenerDisparo rápidoPoca capacidad de absorción de energíaUnidireccionales (o sea, polarizados)Baratos y fáciles de conseguir

VaristorDisparo lentoBuena capacidad de absorción de energíaBidireccionalesBaratos y fáciles de conseguir

Para aprovechar el fuerte de cada dispositivo, puede emplearse un varistor en paralelo con un zener

O dos zeners en “anti-serie”, si la protección debe ser bidireccional

TVS (transient voltage supressor)Disparo rápidoBuena capacidad de absorción de energíaLos hay unidireccionales y bidireccionalesNo tan baratos, fáciles de conseguir pero no en ArgentinaEs básicamente un zener fuerte

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Programación de FirmwareEventos de ESD, y transitorios en la alimentación, pueden alterar valores en memoria y registrosPor eso, para aumentar la confiabilidad:

Refrescar regularmente la configuración de los periféricosProgramar para que cambios imprevistos en el contenido de la memoria no provoquen fallas catastróficas:

• Ej., completar las tablas de saltos y los vectores de interrupción con valores que no hagan daño

• Ej., usar condiciones más débiles (ej., a>=1 en lugar de a=1), else, default, etc., para controlar por dónde sigue el flujo del programa ante valores inesperados

Revisar regularmente el puntero al stackUsar un watchdog timer

• Lo vamos a estudiar en las clases complementariasSi el almacenamiento de un valor es crítico, considerar usar un código de corrección de errores

• Ejemplo trivial pero útil: guardarlo en 3 lugares

Si se puede, también es buena idea leer 2 veces los pines de entrada, para filtrar ruidos

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Interferencia Electromagnética (EMI)A veces llamado ruido “eléctrico” es causado por motores, emisoras de radio, etc.

EMI = electromagnetic interference

Es deseable:Bajar la susceptibilidad del circuito a la EMI externaY también disminuir la radiación electromagnética indeseada que genera el circuito

En otros países existen normas que ponen límites a la emisión electromagnética y a la suceptibilidad a la EMI y ESDSiendo electromagnética, recordemos que la EMI induce corrientes

Por lo tanto, a menor impedancia de la conexión en cuestión, menor ruido (en volts) ocasionará

• Nos conviene que las conexiones largas (ej., los cables de señal) sean de baja impedancia

Hay que evitar los lazos grandes en el diseño de los impresos, para que no se induzca demasiada corriente en ellos

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Diseño de Circuitos ImpresosEvitar lazos grandesQue los planos de alimentación sean grandes y estén cerca uno del otroLlenar espacios vacíos con masa

Aprovecharlo también para disipar calor

• Para eso, es más efectiva una grilla que un plano

Fuente: Electrostatic Discharge and Electronic Equipment; W.Boxleitner; IEEE Press; 1989

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Capacitores de DesacopleSon capacitores aptos para alta frecuencia

Ej., cerámicos

Se agregan entre alimentación y masaRepartidos en distintos puntos del circuito pero

• Cerca de circuitos integrados que sean susceptibles al ruido y/ogeneradores de este

• Evitando formar lazos grandes

Para filtrar ruidos debidos a:La conmutación en los circuitos integradosEMIESDTransitorios en la alimentación de 220 V

Típicamente se usan cerámicos de 0,1μFUno por CI, o uno cada varios CI

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ConclusionesLean las hojas de datos de los componentes que usen

Y no sólo las de los semiconductores

Para diseñar con confiabilidad y durabilidad, estudien las limitaciones de los componentes reales y la problemática EMI y ESD¿Preguntas? ¿Comentarios?