Сигнал USB падает при низкой температуре

Мое приложение для USB5744 представляет собой простой концентратор USB 2.0 с 3-футовым кабелем, припаянным к плате. Концентратор и подключенные устройства работают без проблем, если температура платы не опускается ниже 15ºC. Поскольку USB5744i и все компоненты на плате рассчитаны на температуру -40ºC, я не понимаю, почему устройство больше не распознается компьютером при небольшом охлаждении платы.

Я подтвердил с локализованным охлаждением, что USB5744 является точкой отказа, если только охлаждение не ухудшает сигнал. Эта проблема присутствует на нескольких досках. Следы данных на плате имеют размер 0,3 дюйма, каждый с диодом для защиты от электростатического разряда (TPD2EUSB30ADRTR), расположенным рядом с контактными площадками для пайки кабеля.

Я посмотрел на сигналы, но я новичок в высокоскоростных дифференциальных сигналах. См. рис. Что я могу сделать, чтобы решить эту проблему? Какие тесты я могу выполнить, чтобы диагностировать это?

Обновление от 20 марта:

Импеданс линий передачи контролировался конструкцией платы. Ширина дорожки 11 мил, расстояние между дорожками 8 мил, диэлектрическое расстояние между верхним слоем и плоскостью заземления 9,8 мил, что создает импеданс ~90 Ом.

Что касается связи, в моих измерениях нет связи по переменному току, а на моей плате нет связи по постоянному току. Я не отключаю экран на своей плате, а экран подключается на стороне хоста (компьютера).

Измерение моего сигнала улучшилось, когда я переместил датчик обратно на плату вместо возврата питания (зеленый сигнал теперь той же высоты, что и желтый), но сигнал по-прежнему переключается на отрицательный (относительно земли).

Локальное охлаждение и нагрев, по-видимому, не влияют на измеренные сигналы, но охлаждение по-прежнему отключает чип или препятствует обмену данными с хостом. Я начинаю подозревать микросхему или паяные соединения...

20 марта 2-е ОБНОВЛЕНИЕ:

Мне еще предстоит проверить качество пайки, но сборка платы была выполнена авторитетной компанией (сертификат IPC-610) и невооруженным глазом выглядит хорошо.

Изучив некоторые полезные ответы, я понял, что для осциллографа, который я использую, нужны пробники на 50 Ом... замена пробников привела к очистке измеренных сигналов и смогла зафиксировать глазковую диаграмму. Глазковую диаграмму измеряли дифференциальным датчиком между +D и -D. Другие изображения измеряются с помощью контактной площадки заземления платы/отверстия, расположенного ближе всего к точке измерения. Подтверждено, что локализованное охлаждение не ухудшает измерения глазковой диаграммы, но проблема все еще существует.

ОБНОВЛЕНИЕ 21 марта:

Извиняюсь, если я пропустил вопросы без ответов, я впервые публикую плакат и имею ограниченное тестовое оборудование для высокоскоростных сигналов. Моим первоначальным намерением было создать концентратор USB3.0, но соединения USB3.0 продолжали обрываться (в основном после концентратора), и любая передача больших объемов данных приводила к разрыву соединения с хостом. При отключении линий USB3.0 для использования только скоростей USB2.0 устройство работает и передает данные со скоростью 300 Мбит/с через адаптер USB-Ethernet.

Плата изготовлена ​​по рекомендованному размеру с заземляющей площадкой и имеет 16 переходных отверстий (сетка 4x4) для заземляющей/термопрокладки.

Я зафиксировал сигнал одной стороны генератора (есть только один щуп на 50 Ом) и частота не меняется в зависимости от температуры. Я не уверен, как измерить запас по фазе генератора, но я добавил захваченный сигнал ниже.

Все 3 первых изображения измерены от моего входного порта USB-концентратора, ближайшего к микросхеме, при прямом подключении к ноутбуку без тестового программного обеспечения или тестовых шаблонов. Я не знаю, поступают ли сигналы от хоста или от концентратора, но я предполагаю, что это нормальная связь между ними в режиме ожидания. Финансирование для решения проблемы ограничено, но вся поддержка, полученная от этих ответов, уместна (особая благодарность Али Чену).

Есть ли способ улучшить стабильность без респина платы? Какой тип анализатора протокола USB рекомендуется?

ПОСЛЕДНЕЕ ОБНОВЛЕНИЕ:

После тестирования всего, что связано с сигналом, я приложил микроскоп к напряжениям шины 5 В, 3,3 В и 1,2 В и заметил, что шина 1,2 В имеет пульсацию 800 мВ ... изменение выходной крышки регулятора на 100 мкФ уменьшило пульсацию до 50 мВ и теперь плата работает при -20С!

Дело раскрыто!

Обновлены изображения сигнала:

Односторонний сигнал +D 1 Односторонний сигнал +D 2 Глазковая диаграмма +D/-D Сигнал осциллятора

Покажите, как вы контролировали сопротивление на плате с помощью diff. линии передачи. Это довольно уродливые сигналы с большим количеством КМ-шума и затуханием ВЧ.
Также покажите, как вы разъединяете экран с землей по постоянному току и используете заземление пробника. для измерения этих сигналов.
Пожалуйста, опубликуйте схемы вашего соединения D+D- с кабелем.
Почему вы выбрали энергоемкий концентратор USB 3.0 для приложений USB 2.0?
Также может быть плохая пайка - может быть, даже контакт GND под чипом.
Сложно ли указать тип/модель используемых пробников и способ их заземления? Для такого рода измерений «обратная» земля зонда должна находиться на расстоянии 2-3 мм от источника сигнала.
Кроме того, чтобы убедиться, что концентратор «простой USB 2.0» работает правильно, необходимо измерить глазковую диаграмму встроенного передаваемого шаблона. Можете показать схему глаза? Судя по вашему изображению, дифференциальное открытие глазка выглядит как падение примерно до 100 мВ, что значительно меньше необходимого минимума в 175 мВ, и, вероятно, в главном приемнике активирован шумоподавитель.
Более того, есть ли у вас анализатор USB-протокола, чтобы точнее определить, какая часть протокола нарушается при постепенном увеличении охлаждения. Кроме того, почему вы игнорируете вопросы?
Кроме того, есть ли у вас прочная заземляющая площадка на вашей печатной плате (если есть) и хорошо ли она припаяна, как просил TurboJ?
Хорошо, похоже, ваш дизайн полностью разваливается. Не глядя на макет и собранную плату, а также не проводя некоторые базовые тесты целостности сигнала, невозможно определить, где ошибка. Чтобы добиться успеха, вам необходимо (а) получить эталонную плату USB, digikey.com/product-detail/en/microchip-technology/EVB-USB5744/… , (б) получить основные тестовые приспособления для запуска стандартных тестов качества сигнала USB-IF. , (c) свяжитесь со службой поддержки дизайна Microchip USB, чтобы проверить ваш дизайн. Добро пожаловать в «простой концентратор USB 2.0».
Как выглядит ваша схема и схема часов? Соответствует ли ваш генератор требованиям «ТАБЛИЦА 9-10: ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛА» в интересующем вас диапазоне температур? Может быть, он уже работает незначительно при комнатной температуре?

Ответы (2)

Сигнал, как показано, указывает на наличие развязки по переменному току где-то в высокоскоростной линии передачи USB, поскольку каждый из сигналов D+ и D- (слева на экране) кажется переключающимся в положительную и отрицательную области относительно общая почва. Линии HS должны быть подключены напрямую, без блокирующих колпачков постоянного тока, как в сигнализации USB3.0.

В нормальном сигнале HS и D+, и D- колеблются только от земли и вверх, а не в отрицательную область. Некоторый занижение может быть, но не до такой степени, как показано на осциллограмме.

РЕДАКТИРОВАТЬ: часто такая странная сигнализация и всевозможное нестабильное поведение происходит, когда нижний выступ на чипе не припаян к площадке печатной платы, которая должна быть соединена множеством переходных отверстий с сплошной плоскостью заземления сигнала во внутренних слоях.

EDIT2: это не глазковая диаграмма, определенная в спецификациях USB-IF. См. этот документ Agilent/keysight.для необходимого оборудования (испытательных приспособлений) и правильных процедур. Неясно, какой шаблон показан, от хоста, от концентратора или после концентратора. В любом случае, хотя сигнал не является статистически усредненным в соответствии со спецификациями USB, есть один «красный флажок»: кривая № 2 показывает среднюю частоту как 239,62 МГц (при условии, что ваш прицел откалиброван на заводе). Таким образом, отклонение от номинальных 240 МГц составляет 0,4/239,6 = 0,001669, или 1669 частей на миллион. Это более чем в 3 раза превышает требуемые 500 ppm. Вполне вероятно, что изменение температуры приводит к слишком большому сдвигу частоты, который выходит за пределы расширенного допуска хост-приемников. Проверьте стабильность и запас по фазе кварцевого генератора, питающего концентратор USB.

РЕДАКТИРОВАТЬ 3: что касается анализатора протокола USB, если вы хотите отлаживать трафик USB 3.0+, я знаю только два инструмента: Ellisys Explorer 350 и Teledyne/LeCroy Advisor T3 (на доступных моделях, 2500 долларов). Если вы хотите ограничить функциональность только USB 2.0, есть пара инструментов, начиная с Beagle USB 5000 за 500 долларов. Но вам потребуется один-два года практики и глубокие знания протокола USB, чтобы разобраться в трассировках и правильно интерпретировать события шины.

Или сам прицел связан по переменному току?
@immibis, нет, вряд ли. На таких частотах (> ГГц) датчики обычно не имеют возможности быть «связанными по переменному току». Я не вижу такой индикации и на прицеле.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ОБНОВЛЕНИЕ: после тестирования всего, что связано с сигналом, я приложил микроскоп к напряжениям шины 5 В, 3,3 В и 1,2 В и заметил, что шина 1,2 В имеет пульсацию 800 мВ ... изменение выходной крышки регулятора на 100 мкФ уменьшило пульсацию. до 50мВ и теперь плата работает при -20С!

На полпути к вашему вопросу первое, что я заподозрил, это неправильное поведение развязывающего конденсатора либо из-за увеличения ESR, либо из-за потери емкости, что может увеличить пульсации или сделать ваш регулятор напряжения нестабильным.

Вы получили конденсаторы Y5V вместо указанных вами X7R? Ваши глаза не заметят разницы, а MLCC не имеют маркировки, но изменение емкости в зависимости от температуры является значительным...

введите описание изображения здесь

( источник )

Электролиты тоже не любят холод.

введите описание изображения здесь

Обратите внимание, что это рекламный документ от производителя, и они хотят продавать бейсболки OSCON, поэтому на графике бейсболки OSCON выглядят хорошо. Но... стандартные электролитические колпачки по-прежнему не любят низких температур, а полимерные нормально работают. Проверьте техпаспорт...

ESR танталовых колпачков также зависит от температуры:

введите описание изображения здесь

( источник )

Итак, вы увеличили емкость, и это сработало. Это не означает, что проблема решена. Может, количество проблемных плат уменьшилось, но все равно недопустимо.

Проверьте емкость и ESR в зависимости от температуры конденсаторов и условий стабильности вашего регулятора напряжения. Если вы обнаружите, что условия стабильности при низкой температуре с предыдущей крышкой не были соблюдены, то у вас есть ответ.

Ваша проблема также может заключаться в незначительно стабильном LDO, который становится нестабильным, когда холодно. Итак, перепроверьте таблицу данных LDO, что там говорится о температуре?

«Предельно стабильный LDO» может быть, например, из-за компоновки или неправильных колпачков (вход и выход). Может он стал нестабильным из-за того, что круче был сам LDO, а не колпачки, а может бОльшая ёмкость это исправила. Может проблема в колпачке на входе LDO который ассемблером подставил на Y5V? Кто знает?

Я хочу сказать, что не говорите просто "исправлено", прежде чем перепроверите.

Сигнал USB падает при низкой температуре
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v