Заземление и целостность сигнала моей схемы печатной платы (АЦП, SMPS, SD-карта, USB)

В настоящее время я разрабатываю систему мониторинга батареи для 8-элементного литиевого аккумулятора. Первоначально я сделал устройство, используя плату разработчика STM32 и макетную плату с SD-картой для регистрации данных. Система была точна до +/- 0,01 В, но имела огромное количество шума, связанного с показаниями АЦП, когда на SD-карту выполнялось чтение/запись.

Моя доска двухслойная из-за ограничений по стоимости. Мне удалось сохранить почти твердую плоскость земли на нижнем слое. Я определил проблемные компоненты (если они размещены неправильно) как импульсный источник питания, SD-карту, USB и кварцевый генератор. См. схему:

Я думаю, что мои основные сомнения на данный момент связаны с заземлением платы, а также с целостностью сигнала для моих аналоговых показаний. Пожалуйста, могли бы быть даны указания по этому поводу.

SMPS — я использую понижающий преобразователь LMR23610. Я следовал точной схеме, указанной в таблице данных. Единственное, что меня смутило, это в таблице данных:

Иметь одноточечное заземление на самолет. Заземляющие соединения для компонентов обратной связи и включения должны быть выведены на плоскость заземления. Это предотвращает протекание коммутируемых токов или токов нагрузки по аналоговым дорожкам заземления. При неправильном обращении плохое заземление может привести к ухудшению регулирования нагрузки или неустойчивому поведению пульсаций выходного напряжения.

Я думаю, это означает, что на верхнем слое вокруг всего преобразователя должна быть локальная заземляющая пластина, которая должна быть подключена к широкой заземляющей пластине печатной платы только в одной точке (возможно, через переходное отверстие). Компания TI изготовила образец платы для этого чипа, за исключением того, что они не последовали этому совету, вместо этого у них было по 4 переходных отверстия рядом с заземлением входного и выходного конденсаторов. Я сделал это там, где это применимо для моего дизайна. Правильно ли выглядит мой макет SMPS, и правильно ли это?

Распределение мощности. Я хотел как можно меньше нарушать заземляющий слой нижнего слоя, что вызвало довольно много трудностей при разводке всех дорожек. Чтобы легко соединить трассы питания, я решил просто залить весь верхний слой (кроме области SMPS) полигональной заливкой, подключенной к 3,3 В (выход понижающего преобразователя). Т.е. в моем верхнем слое есть две полигональные заливки - локальный GND для SMPS и выход 3.3V от SMPS. Это вызовет у меня какие-то проблемы? Вместо этого я мог бы залить его GND, но я думал, что смогу сделать все соединения GND с переходными отверстиями, подключенными непосредственно к моему нижнему слою.

Мое последнее сомнение в том, как я подключил кварцевый генератор. Я создал заземляющий остров вокруг кристалла и нагрузочных конденсаторов с тремя переходными отверстиями, соединенными с твердой заземляющей пластиной внизу. Будет ли это нормально? Подключено так

введите описание изображения здесь

Кроме того, для цифровых сигнальных линий (SD-карта, USB) я позаботился о том, чтобы не нарушить заземляющий слой внизу, поскольку я знаю, что обратные токи будут протекать ниже сигнальных дорожек. Все дорожки имеют ширину 10 мил. Я следовал всем советам по развязке, данным ST для этого MCU.

В целом, моя компоновка в порядке, и не будет ли каких-либо существенных проблем, таких как зашумленные показания моего АЦП? Я бы хотел показания точности +/- 0,01 В, как я видел, когда собирал это на плате разработчика. Любые советы приветствуются, так как я делаю печатную плату второй раз, поэтому я новичок.

Схема:введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Доска: Верхний слой

введите описание изображения здесь

Заливка верхнего слоявведите описание изображения здесь

Нижний слойвведите описание изображения здесь

Я бы подключил переходные отверстия GND напрямую к нижнему полигону без тепловых рельефов, если только вы не хотите иметь высокую индуктивность и плохие тепловые свойства на радиаторе U14. Вы можете настроить это в стиле соединения полигонов. Также тепловые рельефы в соединениях GND CN1 и C14 кажутся немного тонкими.
Маршрутизация USB имеет неправильный импеданс, судя по ширине / пространству дорожек, которые я могу догадаться по вашему скриншоту. Вам также могут понадобиться некоторые схемы защиты на ваших входах от электростатического разряда и т. д. Конечно, можно было бы сказать гораздо больше, и если это коммерческое предприятие, возможно, стоит нанять кого-нибудь, чтобы сделать из него продукт.
Убедившись, что нет активной передачи данных через USB или FS, при выполнении преобразования — это самый простой способ улучшить его, если вы еще этого не сделали.
Спасибо, что сообщили мне о термальных рельефах. Я исправлю это сейчас. Что касается USB, я проверил техническое описание STM32, и в нем говорилось, что встроенные резисторы не нужны, поскольку об этом позаботится контроллер USB внутри MCU. Я обнаружил, что это относится к плате разработчика, на которой также не было встроенных резисторов. О защите от электростатического разряда — я спрашивал об этом некоторое время назад, см. electronics.stackexchange.com/questions/398533/… . Мне сказали, что об этом позаботятся мои резисторы и операционные усилители. Что вы думаете?
@Russell Ответ относительно ESD, который вы получили, кажется правильным. Если у вас нет особых требований, вы должны быть в порядке. Если вы планируете сертифицировать это как продукт, вы можете проверить применимые стандарты. Относительно USB: я имел в виду дифференциальное сопротивление трассы, а не встроенные компоненты. Относительно точности ваших измерений: с делителем напряжения на входах и вашим опорным напряжением +/- 10 мВ составляет около +/- 1 LSB АЦП STM32. Из-за того, что напряжение батареи изменяется относительно медленно, вы можете реализовать дополнительную фильтрацию шума/передискретизацию в программном обеспечении.
Хорошо, спасибо за подтверждение. Это будет установлено как продукт, однако никакая сертификация не требуется. Просто его нужно легко изготовить. Моя ошибка насчет USB, я посмотрю дифференциальное сопротивление трассы. Что касается измерения, да, я уже исчерпал выборку в программном обеспечении, возможно, поэтому у меня была необходимая точность. Что вы думаете о макете, особенно о расположении заливки верхнего слоя? Как вы думаете, это вызовет у меня проблемы?
Можешь выложить скриншот с заливкой?
Я добавил это сейчас
Подключать заливку следует непосредственно к клеммам выходных колпачков. Теперь ток всей системы протекает через сенсорную линию, что, безусловно, не то, что вам нужно. Возможно, вы могли бы повернуть весь блок на 90 градусов против часовой стрелки, чтобы добиться более коротких соединений.

Ответы (1)

Что касается шума, возможно, было бы полезно добавить пару керамических конденсаторов емкостью 10 мкФ рядом с операционными усилителями, а также с SD-картой. SD-карта будет иметь довольно быстрые переходные процессы во время операций R/W, которые будут передаваться как шум по 3V3. Кроме того, когда вы измеряете батареи, вы можете избавиться от большого количества шума в FW, так как изменения значений на батареях очень медленные.

EMC и ESD Если я правильно понимаю, это будет продукт, и поэтому он должен соответствовать местным нормам по излучению. Первое, что я заметил, это то, что у вас нет защиты от электростатического разряда на SD-карте или USB; Я предлагаю добавить несколько защитных диодов TVS с малой емкостью как на линиях питания, так и на линиях передачи данных.

Следы USB должны быть проложены как дифференциальные пары 90 Ом; если вы сделаете это правильно, вы уменьшите вероятность отражений на этих линиях и, следовательно, кондуктивных излучений. Я предлагаю вам загрузить отличный инструментарий для печатных плат с сайта saturnpcb.com , это отличный инструмент, который имеет одну функцию, которая рассчитает для вас импеданс дорожки. Это не так хорошо, как инструменты Polar, но это бесплатно и дает вам то, что вам нужно.

Спасибо за ваш совет, должен ли я добавить эти 10 мкФ колпачки к линиям VCC SD-карты и операционных усилителей? Это не будет потребительским продуктом. Это что-то из того, что я делаю. Я уже добавил защиту на USB (USB LC6 IC). Я думал, что пропущу это на SD-карте, потому что большую часть времени с ней не будет связи. Спасибо, что сообщили мне об этом инструменте. Я гарантирую, что импеданс правильный.
Да, конденсаторы должны быть как можно ближе к операционным усилителям и к разъему SD-карты.
Я только что использовал этот онлайн-калькулятор — eeweb.com/tools/edge-coupled-microstrip-impedance . Для двухслойной платы мои входные данные были T = 1 унция/фут ^ 2, H1 = 1,6 мм, W = 45 мил, S = 6 мил (минимум от производителя печатной платы), предполагаемое значение Er = 4,5. Это дало мне дифференциальное сопротивление 87,9R. Но ширина следа такая толстая? Я даже не могу подключить такую ​​толстую дорожку к контактам MCU, так что здесь лучше всего сделать?
Я бы порекомендовал использовать дорожку 47 мил и зазор 7 мил, так как это даст вам 90 Ом Z Diff. Разветвление от разъема к MCU должно быть настолько широким, насколько это возможно, а затем перейти к значениям, упомянутым выше. Это обычная практика, и хотя это не идеально, рассогласование импеданса происходит только на коротком участке. Если вы не зациклены на этой толщине доски, большинство китайцев позволят вам выбрать доску толщиной 1 мм без дополнительной оплаты. При такой толщине доски дорожка будет 30 мил, а зазор 7 мил.