Solução e prevenção de interferências electromagnéticas para conectores automóveis

Atualmente, os sistemas electrónicos dos automóveis são programados a várias centenas de megahertz, com um planeamento de sub-nanossegundos para os bordos de ataque e de fuga dos impulsos utilizados, e são utilizadas taxas de pixel de sub-nanossegundos para circuitos de vídeo de alta qualidade. A engenharia de processamento de alta velocidade é constantemente desafiada. Assim, a forma de prevenir e lidar com o problema da interferência electromagnética nos conectores para automóveis merece a nossa atenção. Os circuitos na taxa de oscilação tornam-se mais rápidos (tempo de subida / descida), os níveis de tensão / corrente tornam-se maiores, o problema torna-se maior. Consequentemente, hoje em dia, em comparação com anos anteriores, é mais difícil lidar com a compatibilidade electromagnética (CEM). As correntes de impulsos rápidos que precedem as duas secções de onda de um circuito tornam claro que as chamadas fontes de ruído de modo diferencial, os campos electromagnéticos em torno do circuito, podem ser acoplados a outros componentes e invadir as partes ligadas. O ruído que é acoplado de forma racional ou capacitiva é uma interferência de modo comum. As correntes de perturbação RF são idênticas entre si e o sistema pode ser modelado como consistindo numa fonte de ruído, um "circuito vítima" ou "recetor" e um circuito (normalmente uma placa de base). A magnitude da perturbação é caracterizada por uma série de factores: a intensidade da fonte de ruído, a dimensão da área em torno da qual a corrente de perturbação se desloca e a taxa de variação. Assim, embora exista uma elevada probabilidade de perturbações indesejáveis no circuito, o ruído é quase sempre co-modelado. Quando um cabo é ligado entre o conetor de entrada/saída (E/S) automóvel e o chassis ou o plano de terra, existem certas tensões de RF que podem fazer com que alguns miliamperes de corrente de RF estejam suficientemente presentes para exceder a frequência de transmissão permitida.

O acoplamento de ruído e o transporte de ruído de modo comum são gerados por um planeamento irracional. Algumas causas típicas são diferentes comprimentos de fios individuais em diferentes pares, ou diferentes distâncias ao plano de alimentação ou ao chassis. Outra causa são componentes defeituosos, como bobinas e transformadores de indução magnética, condensadores e dispositivos activos (por exemplo, utilizando circuitos integrados ad hoc (ASIC)). Os componentes magnéticos, especialmente os chamados indutores de armazenamento de energia do tipo "iron core choke", são utilizados em conversores de potência e geram sempre campos electromagnéticos. O espaço de ar no circuito magnético é equivalente a uma grande resistência num circuito em série, onde é consumida mais energia. Por conseguinte, o núcleo do indutor, enrolado numa barra de ferrite, gera um forte campo eletromagnético à volta da barra e um forte campo perto dos eléctrodos. Numa fonte de alimentação comutada que utilize uma estrutura de retorno, tem de haver um espaço vazio no transformador no qual exista um forte campo magnético. O elemento em que o campo magnético se encaixa é o tubo em espiral, de modo que o campo eletromagnético é distribuído ao longo do comprimento do núcleo. Esta é uma das razões pelas quais as estruturas em espiral são preferidas para componentes magnéticos que funcionam a altas frequências. Os circuitos incorretamente desacoplados tornam-se também, geralmente, uma fonte de perturbação. Assumindo que o circuito requer grandes correntes de impulso e que o desacoplamento parcial não garante uma pequena capacitância ou requisitos de resistência interna muito elevados, a tensão gerada pelo circuito de alimentação cai. Isto corresponde à ondulação, ou talvez a uma rápida mudança na tensão entre os terminais. Devido à capacitância dispersa do pacote, as perturbações podem acoplar-se a outros circuitos e causar problemas de modo comum. Quando as correntes de modo comum contaminam os circuitos de interface E/S, é necessário lidar com este problema antes de passar pelo conetor automóvel. Diferentes aplicações defendem diferentes métodos para lidar com este problema. Nos circuitos de vídeo, em que os sinais de E/S são de terminação única e partilham o mesmo circuito comum, é importante lidar com o problema filtrando o ruído com um pequeno filtro LC. Nas redes de interface série de baixa frequência, é satisfatória alguma capacitância parasita para desviar o ruído para a placa de base. As interfaces de acionamento diferenciais, como a Ethernet, são geralmente acopladas à área de E/S através de um transformador, que é acoplado por derivações centrais fornecidas num ou em ambos os lados do transformador. Estas tomadas centrais são ligadas à placa de base através de condensadores de alta tensão que desviam o ruído de modo comum para a placa de base, de modo a que o sinal não seja distorcido. Ruído de modo comum na região de E/S Não existe uma abordagem universal ao problema para todos os tipos de interfaces de E/S. A principal preocupação dos projectistas é acertar no circuito e, muitas vezes, esquecem-se de pormenores que são considerados incompletos. Algumas regras básicas podem fazer com que o ruído, nos primeiros anos da chegada dos conectores para automóveis, seja pequeno: 1) serão colocados condensadores de desacoplamento na vizinhança imediata da carga. 2) mudanças rápidas nos bordos dianteiro e traseiro do impulso de corrente, a especificação do circuito deve ser pequena. 3) para que os dispositivos de alta corrente (ou seja, controladores e ASIC) se afastem das portas de E/S. 4) Determinação da integridade do sinal, de modo a garantir que o overshoot e o undershoot sejam pequenos, especialmente no que diz respeito à corrente elevada dos sinais vitais (por exemplo, relógio, bus). 5) Aplicar uma filtragem parcial, como a ferrite RF, pode absorver a interferência RF. 6) Fornecer uma volta de baixa impedância na placa inferior ou na área de E/S da referência na placa inferior. Ruído RF e conectores automotivos, mesmo que os engenheiros optem por usar muitos dos métodos de prevenção listados acima para reduzir o ruído RF na área de E / S, mas também não podem garantir que esses métodos de prevenção possam ser bem-sucedidos para atender aos requisitos de emissão satisfatória. Parte do ruído é interferência conduzida, ou seja, atividade de corrente de modo comum na placa de circuito interno. A fonte desta perturbação situa-se entre a placa posterior e os circuitos, etc. Portanto, essa corrente de RF deve percorrer um caminho de baixa impedância (entre o painel traseiro e as linhas de sinal da portadora). Partindo do princípio que o conetor para automóveis não apresenta uma impedância satisfatoriamente baixa (na sobreposição com a placa de base), esta corrente RF desloca-se através da capacitância parasita. Quando esta corrente RF flui através do cabo, gera inevitavelmente emissões. Outro mecanismo para injetar correntes de modo comum na área de E/S é o acoplamento de uma forte fonte de perturbação nas proximidades. Mesmo alguma "blindagem" do conetor automóvel é inútil, porque a fonte de perturbação está nas proximidades do conetor automóvel, como o ambiente do PC. Partindo do princípio de que existe um espaço entre o conetor para automóveis e o chassis, a tensão RF induzida neste local pode degradar a função CEM. Os métodos de blindagem dos conectores para automóveis incluem a adição de palhetas ou espaçadores. A lapidação do conetor para automóveis destina-se a preencher o espaço vazio entre o conetor para automóveis e o chassis. Este método requer uma junta. Um revestimento de metal é preferível e só precisa de ser manuseado adequadamente, ou seja, apenas se a superfície não estiver contaminada, apenas se as mãos não tocarem ou danificarem o revestimento e apenas se houver uma pressão satisfatória para aderir a um bom contacto de baixa impedância. Outros métodos são os separadores de conectores para montagem de conectores automóveis ou talvez equipar o conetor automóvel na caixa. Neste momento, a grande superfície de contacto é ligeiramente mais pequena, e a especificação e a elasticidade da peça da junta devem ser rigorosamente controladas. Equipamento de blindagem de conectores de automóveis, aberturas no chassis, o lado da abertura deve ser desengordurado, para ser cuidadosamente feito, se a tolerância não for adequada, resultando no conetor do carro no chassis cair muito fundo, de modo que a volta é contínua. Todos os engenheiros de compatibilidade electromagnética sabem que, num sistema "bom", esta questão deve ser satisfeita com os requisitos de lançamento e na linha de produção a tempo de ser verificada. Almofadas não apertadas ou dobradas, equipamentos em áreas críticas no óleo, falharão. Os conectores EMI para automóveis foram selecionados pelas seguintes razões 1) A espuma condutora é extremamente macia e pode ser colocada à volta de todo o perímetro do conetor para automóveis. Isto elimina os problemas associados a outro invólucro, o liner. 2) Os engenheiros mecânicos podem equipar o conetor automóvel dentro das tolerâncias aceitáveis para o invólucro do sistema. 3) O conetor automóvel termina numa volta de baixa impedância com o invólucro para assegurar um contacto superior. O revestimento no interior da parede da caixa pode ser feito de um material mais macio quando tiver de ser pintado com um requisito de mascaramento.4) No planeamento que requer arrefecimento forçado, o revestimento é bom para outra caraterística: a costura entre o conetor automóvel e a parede da caixa deve ser selada para minimizar a fuga de ar. Num ambiente poeirento, o revestimento deve desempenhar um papel no sistema para aderir à limpeza.

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