Consejos para Diseo de Hardware Andrs Djordjalian andresindicart

Consejos para Diseño de Hardware Andrés Djordjalian <andres@indicart. com. ar> Seminario de Sistemas Embebidos Facultad de Ingeniería de la U. B. A. 12/8/2020 1 de 14

Entradas Paralelas Asincrónicas q Alrededor 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 evitarlo § Si 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 metaestabilidad. 12/8/2020 2

¿Qué pasa si se viola tsetup y/o thold? q Si se trata de un entrada individual, no hay problema § Mientras la MCU tenga, internamente, sincronizadores para resolver la meta-estabilidad, que es lo usual § Se leerá el nuevo valor, o el viejo (como si el nuevo entrase recién después de la ventana) q Si se trata de una entrada de varias conexiones, sí hay problema § Algunos bits se leerán con su nuevo valor, otros con el viejo, resultando un dato de entrada erróneo § Solución: 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-phase handshaking de la actividad de la presentación sobre modelado – El handshaking también sirve determinar cuándo se transmitió un 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 12/8/2020 • Útil sólo cuando la frecuencia de los datos de entrada no es demasiado alta y no hace falta el handshaking 3

Capacitores Electrolíticos q Cómo están construidos: § Una “placa” es un foil de aluminio § La otra es un electrolito (o sea, un fluido conductor) § El dieléctrico es una capa de óxido entre ambas q Problema: la capa de óxido se disuelve § El funcionamiento normal va regenerando la capa § Pero, 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 12/8/2020 4

Capacitores Electrolíticos (cont. ) q Problema: el electrolito se evapora § Resultado: pierde capacitancia § Por 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 interna § Para 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 12/8/2020 5

Capacitores Electrolíticos (cont. ) q Problema: la resistencia equivalente serie (ESR) no es despreciable § ESR = equivalent series resistance § Debido, principalmente, a la resistividad del electrolito § Los fabricantes a veces dan la ESR (máxima) en ohms • Pero más frecuentemente la expresan por medio del factor de disipación (tan ) máximo a una frecuencia determinada – tan = XR/XC = ESR / 1/ C § Resultado: 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 12/8/2020 6

Tolerancias de los Valores Nominales q 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 q 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 12/8/2020 7

Descargas Electroestáticas en las Entradas q El cuerpo humano puede estar cargado con miles de voltios § Hasta unos 20 KV q 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 voltaico § Este problema es más grave en sitios con clima seco q 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 12/8/2020 8

Dispositivos Típicos Para Absorber Transitorios q Diodo Zener q Varistor q Para aprovechar el fuerte de cada dispositivo, puede emplearse un varistor en paralelo con un zener § § § § Disparo rápido Poca capacidad de absorción de energía Unidireccionales (o sea, polarizados) Baratos y fáciles de conseguir Disparo lento Buena capacidad de absorción de energía Bidireccionales Baratos y fáciles de conseguir § O dos zeners en “anti-serie”, si la protección debe ser bidireccional q 12/8/2020 TVS (transient voltage supressor) § § Disparo rápido Buena capacidad de absorción de energía Los hay unidireccionales y bidireccionales No tan baratos, fáciles de conseguir pero no en Argentina § Es básicamente un zener fuerte 9

Programación de Firmware q q Eventos de ESD, y transitorios en la alimentación, pueden alterar valores en memoria y registros Por eso, para aumentar la confiabilidad: § Refrescar regularmente la configuración de los periféricos § Programar 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 stack § Usar un watchdog timer • Lo vamos a estudiar en las clases complementarias § Si el almacenamiento de un valor es crítico, considerar usar un código de corrección de errores • Ejemplo trivial pero útil: guardarlo en 3 lugares q Si se puede, también es buena idea leer 2 veces los pines de entrada, para filtrar ruidos 12/8/2020 10

Interferencia Electromagnética (EMI) q A veces llamado ruido “eléctrico” es causado por motores, emisoras de radio, etc. § EMI = electromagnetic interference q Es deseable: § Bajar la susceptibilidad del circuito a la EMI externa § Y también disminuir la radiación electromagnética indeseada que genera el circuito q q En otros países existen normas que ponen límites a la emisión electromagnética y a la suceptibilidad a la EMI y ESD Siendo 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 12/8/2020 11

Diseño de Circuitos Impresos q Evitar lazos grandes q Que los planos de alimentación sean grandes y estén cerca uno del otro q Llenar 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 12/8/2020 12

Capacitores de Desacople q Son capacitores aptos para alta frecuencia § Ej. , cerámicos q Se agregan entre alimentación y masa § Repartidos en distintos puntos del circuito pero • Cerca de circuitos integrados que sean susceptibles al ruido y/o generadores de este • Evitando formar lazos grandes q Para filtrar ruidos debidos a: § § q La conmutación en los circuitos integrados EMI ESD Transitorios en la alimentación de 220 V Típicamente se usan cerámicos de 0, 1 F § Uno por CI, o uno cada varios CI 12/8/2020 13

Conclusiones q Lean las hojas de datos de los componentes que usen § Y no sólo las de los semiconductores q Para diseñar confiabilidad y durabilidad, estudien las limitaciones de los componentes reales y la problemática EMI y ESD q ¿Preguntas? ¿Comentarios? 12/8/2020 14