El diablo está en los detalles: ESD y cable USB

Hay un refrán anglosajón que dice: “el diablo está en los detalles”. Esta contundente frase, se refiere a que son las pequeñas cosas que, a primera vista nos parecen anecdóticas, las que hacen funcionar bien cualquier actividad humana.

Vamos a ver la justificación de esta frase en las pruebas de compatibilidad electromagnética (CEM) en un caso real de pruebas de descarga electrostática (ESD) con permiso de la empresa SEPMAG.

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En el proceso de asesoramiento de CEM para el Marcado CE de un producto, se evaluó inicialmente su comportamiento electromagnético. Se comprobó que tenía emisiones radiadas excesivas y redactamos un informe de recomendaciones de mejora. Se introdujeron mejoras en el equipo realizando un nuevo trazado del circuito impreso, se reforzaron las debilidades añadiendo filtros y algunos cambios adicionales. El objetivo era reducir las emisiones y aumentar la inmunidad.

Una vez implementadas estas mejoras, se volvió a preevaluar el producto para asegurar la no aparición problemas en el laboratorio de certificación de CEM con el nuevo prototipo mejorado. Se comprobó la reducción de las emisiones radiadas en el nuevo prototipo con respecto al anterior prototipo. El siguiente paso consistió en evaluar la inmunidad del nuevo equipo. Cuando se aplicaron descargas electrostáticas (ESD) apareció un problema de CEM: las comunicaciones entre el producto y el ordenador PC se bloqueaban. ¡Sorpresa negativa! ¿Qué podía estar ocurriendo?

El circuito ya estaba en principio suficientemente mejorado desde el punto de vista de la CEM. El ordenador PC estaba Marcado CE y por tanto cabe suponer que ha superado las pruebas de ESD. En principio todo parecía correcto. Se revisaron los detalles de cómo estábamos realizando la prueba de ESD (figura 1).

Todo era correcto. ¿Qué quedaba por revisar? ¿El cable USB? El cable era un cable de compra, aparentemente con todas las garantías y que funcionaba perfectamente desde el punto de vista puramente funcional (comunicaciones).

Pero, en los análisis de CEM no se puede confiar en nada. Todo debe ser comprobado. La gran sorpresa se produjo cuando, al comprobar la continuidad del blindaje del cable entre las carcasas de los dos conectores en ambos extremos del cable USB, no había continuidad. Esto era incorrecto e inesperado.

Se conectó el equipo al PC con un nuevo cable USB, comprobando que era correcto al tener continuidad entre las carcasas de los dos conectores. Se reanudaron las pruebas de ESD y ya no aparecieron más problemas. También se comprobó que la reducción de las emisiones era mucho mayor de la medida antes de hacer las pruebas de ESD.

Si no se hubieran realizado estas pruebas de preevaluación, al ir al laboratorio de certificación de CEM, el problema con las ESD tal vez no se hubiera podido solucionar en el momento por no tener disponibilidad de un cable USB correcto o simplemente porque no se hubiera comprobado la continuidad del blindaje del cable USB.

Es habitual en un laboratorio certificado que diferentes pruebas las realicen diferentes técnicos y se pierda la visión global del producto. Con toda probabilidad, el técnico que realizara la prueba de ESD daría por supuesto que el cable es correcto porque otros compañeros ya han ensayado el equipo y el equipo ha superado las pruebas anteriores. Se hubiera tenido que volver al laboratorio (más tiempo y dinero) y se hubiera tenido que investigar el problema sin conocer el origen y, probablemente, sin disponer del equipamiento necesario para repetir el fallo.

Con este relato de un caso real se confirma el refrán anglosajón: “el diablo está en los detalles”. Cualquier detalle puede provocar un problema de CEM, incluso aquellos pequeños detalles que normalmente se dan por supuesto ya que no se ha detectado un problema funcional en el cable USB (fallo de comunicaciones). Si fallan las comunicaciones se piensa en el cable USB, pero si funcionan y no se aprecia daño externo, normalmente no se piensa que el cable es defectuoso. Se suponía que el cable USB comprado debía tener sus conexiones del blindaje correctas. Esto es, tener el blindaje conectado a las carcasas de los dos conectores.

EL CABLE USB Y LAS ESD

Las perturbaciones debidas a las ESD pueden penetrar a través de los blindajes de los cables y a través de la conexión de estos blindajes a los conectores. Por ejemplo, si consideramos un cable USB de 1 m de largo y asumimos que su efectividad de blindaje es aproximadamente la misma que la de un cable RG-58 (aproximadamente 1 óhmio/m a 100 MHz) con una descarga ESD por contacto de 4 kV en modo común con un tiempo de 1 ns la corriente tiene un ancho de banda de unos 100 MHz. El tiempo del pico de corriente causará una caída de tensión entre la carcasa del conector y el blindaje. Con 1 nH de inductancia en la conexión, un aumento en la corriente de 16A en 1 ns de modo común produce un impulso de 16V de pico entre el circuito impreso y la carcasa del conector, posiblemente interrumpiendo la comunicación USB, requiriendo la intervención del usuario para restablecer la comunicación USB. Dependiendo del software de control de las comunicaciones USB y del instante de la descarga, la descarga electrostática puede provocar una pérdida de las comunicaciones USB.

Como hemos dicho, la unión del blindaje al conector y la conexión del blindaje a los dos conectores son puntos de entrada de ESD. Una conexión perfecta a 360º permite tener un correcto flujo de corriente. Cualquier desviación de la corriente de la ruta ideal equivale a añadir una inductancia efectiva, que provoca una mayor caída de tensión.

El blindaje de los conectores (como en un conector USB) a menudo toca la carcasa metálica solo en unos pocos puntos. Esta conexión imperfecta obliga a la corriente a fluir a través de esta ruta no ideal, provocando una mayor inductancia entre el conector y la carcasa.

LAS COMUNICACIONES USB

El USB (Universal Serial Bus) es un bus diferencial, bidireccional para comunicaciones en serie. La señal diferencial NRZI (sin retorno a cero) es transmitida de forma asíncrona entre dos puertos. La velocidad de datos tiene uno de los cinco siguientes modos posibles:

100 kbps para transmisión lenta de datos (mouse, teclado). La tensión de señal está entre 0V y 0,3V para USB 1.0.
10 Mbps para velocidades medias de transmisión de datos. La tensión de señal aquí es de 0,3 V (bajo) hasta 2,8V (alto) para USB 1.0.
480 Mbps para altas velocidades de transmisión de datos, definidas como USB 2.0. La tensión de señal aquí es de 0 V - 10 mV (bajo) hasta 400 mV más menos 10% (alto).
4,8 Gbps para muy altas velocidades de transmisión de datos, definidas como USB 3.0.
10 Gbps para el USB 3.1.

La longitud máxima de un cable USB es de 5 metros. La figura 2 nos muestra como está configurado un cable USB 2.0, con sus dos tipos de blindaje: blindaje de cobre trenzado y blindaje en lámina de aluminio, los dos cables de alimentación y la línea diferencial formada por dos cables trenzados. En total cuatro conductores internos. Los dos cables de alimentación no están trenzados, los cables de datos tienen una impedancia en modo diferencial de 45 o 90 óhmios (+/- 15%) a masa en modo común. El blindaje de trenza tiene una cobertura superficial de al menos el 65%. El doble blindaje está destinado a garantizar una alta atenuación de blindaje y una impedancia constante.

Como se ha confirmado en las pruebas de ESD en este caso real, hay muchos cables "ovejas negras" en el mercado, algunos de los cuales solo tienen un blindaje de aluminio consistente en una lámina de aluminio que solo está conectada a masa en un lado o en ninguno. En estos cables USB incorrectos, el blindaje tiene una atenuación del blindaje que apenas alcanza valores de unos 15 dB, en lugar de los más de 50 dB en los cables USB correctos. ¡Pero son cables más baratos!

EL BLINDAJE Y SUS CONEXIONES A MASA

El blindaje del debe estar conectado al potencial de referencia de la señal que se está protegiendo. El modelo asume que el cable está revestido con un aislante, de modo que el blindaje no está en contacto con el plano de masa en ninguna parte, excepto posiblemente en los extremos; pero no siempre como estamos viendo. Si es así, tenemos, una línea de transmisión formada por cualquier plano de masa existente y el exterior del blindaje.

Del mismo modo, el interior del blindaje y los conductores interiores (un solo conductor o dos o más conductores trenzados como en el cable USB) también forman una línea de transmisión. Por lo tanto, lo que tenemos son dos líneas de transmisión acopladas por la fuga a través del blindaje (figura 3).

El acoplo de las líneas de transmisión internas y externas se caracteriza por un mecanismo llamado impedancia de transferencia superficial, Zt. En la mayoría de los casos, el blindaje y, por lo tanto, la línea de transmisión externa está cortocircuitada a masa en ambos extremos o en uno de los extremos.

Los conductores internos están conectados a masa a través de una impedancia. Esta impedancia generalmente es una carga abierta, un cortocircuito o una impedancia igual a la impedancia característica del cable como línea de transmisión.

Si el blindaje se conecta a masa en ambos extremos, la corriente puede circular por el exterior del blindaje. Esta corriente puede deberse a que el bucle debido a las conexiones a masa de los extremos del cable con los extremos de masa con diferentes potenciales (Vd = Vx - Vy), o puede deberse a la inducción de campos externos, o ambos casos a la vez. En cualquier caso, la corriente de protección externa se acopla a los circuitos internos a través de la impedancia de transferencia superficial Zt.

EFECTO DE LA CONEXIÓN DEL BLINDAJE A MASA EN LOS DOS EXTREMOS

Cuando el blindaje del cable se conecta en los dos extremos se tiene protección contra campos eléctricos y contra campos magnéticos a la vez. Cuando el blindaje se conecta en los dos extremos se obtiene una mejor distribución de la corriente en función de la frecuencia. Hasta unos pocos kHz, la reactancia inductiva es despreciable y la corriente circula por el camino de menor resistencia. Por encima de los kHz predomina la reactancia inductiva y esto hace que la corriente circule por el camino de menor inductancia (menor impedancia).

El camino de menor impedancia es aquel cuyo retorno está cerca de la señal para tener una inductancia distribuida menor. La longitud del conductor que se extiende fuera del blindaje debe minimizarse y garantizar una buena conexión del blindaje a la masa a 360º o con una coleta (“pigtail”) muy corta en los dos extremos. Si esto no se hace así, gran parte del beneficio de conectar un blindaje en ambos extremos puede disminuir bastante. Vale la pena mencionar que en este caso:

No hay protección contra el bucle de masa formado por el plano de masa, el blindaje del cable y sus dos conexiones en los dos extremos.
Se puede causar tener problemas de CEM cuando la diferencia de potencial de masa Vd entre ambos extremos supera el margen de ruido de las señales circulando por el cable.
La impedancia a masa debe ser la más baja posible en ambos extremos para minimizar el bucle de masa, principalmente a frecuencias bajas.

Para evitar emisiones radiadas se usa el blindaje conectado a masa en ambos lados por encima de la frecuencia de corte, pero se deben tomar algunas precauciones. Solo se puede proteger una cantidad limitada de ruido magnético debido al bucle de masa formado. Cualquier blindaje a través del cual fluya el ruido no debe incluir la ruta de la señal.

La conexión a masa del cable se utiliza para eliminar interferencias por acoplo capacitivo debido al campo eléctrico. El blindaje solo es eficiente cuando establece un camino de baja impedancia a masa. Un blindaje flotante desconectado de la masa no protege contra las interferencias. Los campos eléctricos son mucho más fáciles de proteger que los campos magnéticos. La clave para el blindaje magnético es reducir el área del bucle entre el blindaje y el plano de masa.

EFECTO DE LA CONEXIÓN DEL BLINDAJE A MASA EN UN SOLO EXTREMO

Cuando el blindaje del cable se conecta a masa en un solo extremo se tiene protección solo contra campos eléctricos. En este caso, la corriente no circula a través del bucle de masa y no cancela el campo magnético. La longitud del conductor que se extiende fuera del blindaje debe minimizarse y garantizar una buena conexión del blindaje a la masa a 360º o con una coleta (“pigtail”) muy corta.

Si el blindaje se conecta a masa en un solo extremo, la corriente queda limitada a la que se acopla a través de la capacidad distribuida entre el exterior del blindaje y el plano de masa (figura 4).

La corriente acoplada puede ser pequeña, en cuyo caso el parámetro importante es la distribución de tensión a lo largo del cable. La tensión es cero donde el cable está conectado a masa, pero puede ser alta en el extremo abierto a frecuencias donde el cable excede una décima parte de la longitud de onda (lambda/10), porque en este punto el cable se convierte en una antena muy eficiente.

En el extremo abierto, hay un acoplamiento capacitivo entre el blindaje y los conductores internos del cable debido a la capacidad en el borde, Cf (figura 5). La magnitud de esta capacidad Cf depende mucho de la instalación del cable, y prácticamente no se puede calcular.

El acoplo capacitivo es mayor a altas frecuencias, donde la reactancia capacitiva es más baja. Como la tensión a través de esta capacidad puede ser alta, se puede acoplar una corriente significativa en los conductores internos del cable a través de la capacidad Cf en el borde causando problemas de CEM.

Independientemente de cómo sea el blindaje del cable (trenzado o laminado o los dos a la vez), básicamente actúa como un filtro de paso alto. El resultado es que una onda de señal que viaja por los conductores internos de un cable blindado tendrá un tiempo de subida más rápido que la onda acoplada desde el exterior del blindaje. Por ello se suprimen las componentes de baja frecuencia de la onda de señal. El resultado es que la sobretensión debida, por ejemplo, a una ESD que aparece en los conductores internos del cable blindado, tendrá un tiempo de subida más rápido que la sobretensión en el exterior del blindaje. El acoplo capacitivo resultante también suprime las componentes de baja frecuencia de la onda de señal.

CONCLUSION

Con este relato de un caso real se confirma el refrán anglosajón: “el diablo está en los detalles”. Cualquier detalle puede provocar un problema de CEM. El cable USB debe tener su blindaje conectado a masa en los dos extremos para evitar que las comunicaciones puedan dejar de funcionar debido a descargas electrostáticas.

Francesc Daura, Ingeniero Industrial, experto en compatibilidad electromagnética. Director de LEEDEO / CEMDAL

Raimon Gómez, Ingeniero de Telecomunicaciones, responsable de acreditaciones y homologaciones en LEEDEO / CEMDAL

Agradecemos a la empresa SEPMAG el permiso de publicación de este caso real.

REFERENCIAS

Douglas C. Smith, “High Frequency Measurements and Noise in Electronic Circuits”, Van Nostrand Reinhold, 1993
Charvaka Duvvury, Harald Gossner, “System Level ESD Co-Design”, Wiley – IEEE, 2015
Heinz Zenkner, “The USB Interface from EMC Point of View”, Wurth, ANP024C
Al Martin, “Things You May Not Have Heard About Shielding”, EDN, June 2014

Más información: info@leedeo.es , contacto@cemdal.com

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