Study and application of direct RF power injection methodology and mitigation of electromagnetic interference in ADCs

Abstract

There are many publications available in literature regarding the DPI (Direct Power Injection) technique for electronic systems, but few works specifically addressed for mixed-signal converters, which are components existent in almost all electronic devices. IEC 62132-4(International Electrotechnical Commission, 2006) and 62132-1(International Electrotechnical Commission, 2006) standards describe a method for measuring immunity of integrated circuits (IC) in the presence of conducted RF disturbances. This method ensures a high degree of repeatability and correlation of immunity measurements. Knowledge of the electromagnetic immunity of an IC allows the designer to decide if the system will need external protection, and how much effort should be directed to this solution. In this context, the purpose of this work is the study and application of the DPI methodology for injection of EMI in a mixed-signal programmable device, evaluating mitigation possibilities, with special focus on the analog-to-digital converters (ADCs). The main objective is to evaluate the impact of electromagnetic interference (EMI) on different converters (two Successive Approximation Register ADCs, operating with distinct sampling rate and a Sigma-Delta ADC) of the Cypress Semiconductor Programmable SoC (System-on-Chip), PSoC 5LP. Additionally a previously proposed fault tolerance methodology, based on triplication with hardware and time diversity is tested. Results show distinct behaviors of each converter to conducted EMI. Finally, the tested tolerance technique showed to be suitable to reduce error rate of such data acquisition system operating under EMI disturbance.

Existem muitas publicações disponíveis na literatura sobre a técnica de DPI (Direct Power Injection ou injeção direta de energia) para sistemas eletrônicos, mas poucos trabalhos direcionados para conversores de sinais mistos, que são componentes existentes em quase todos os dispositivos eletrônicos. As normas IEC 62132-4 (IEC, 2006) e 62132-1 (IEC, 2006) descrevem um método para medir a imunidade de circuitos integrados (CI) na presença de distúrbios de RF conduzidos. Este método garante um alto grau de repetibilidade e correlação das medições da imunidade. O conhecimento da imunidade eletromagnética de um CI permite que o projetista decida se o sistema precisará de proteção externa e quanto esforço deve ser direcionado para esta solução. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é o estudo e aplicação da metodologia DPI para injeção de interferência eletromagnética em um dispositivo programável de sinal misto, avaliando as possibilidades de mitigação, com foco especial em conversores analógico-digitais (ADCs). O principal objetivo é avaliar o impacto da interferência eletromagnética em diferentes conversores (dois ADCs baseados em aproximação sucessiva, operando com taxa de amostragem distintas e um ADC do tipo Sigma-Delta) do SoC(System-on-Chip) programável da Cypress Semiconductor, PSoC 5LP. Além disso, é testada uma metodologia de tolerância a falhas proposta anteriormente, baseada em triplicação com diversidade de hardware e temporal. Os resultados mostram comportamentos distintos de cada conversor para a interferência eletromagnética conduzida. Finalmente, a técnica de tolerância testada mostrou-se adequada para reduzir a taxa de erros desse sistema de aquisição de dados operando sob perturbação eletromagnética.