Erdung und Signalintegrität meines PCB-Layouts (ADC, SMPS, SD-Karte, USB)

Ich entwerfe derzeit ein Batterieüberwachungssystem für einen 8-Zellen-Lithium-Akku. Ich habe das Gerät ursprünglich mit einem STM32-Entwicklungsboard und einem Steckbrett mit einer SD-Karte zum Protokollieren von Daten hergestellt. Das System war auf +/- 0,01 V genau, hatte jedoch enorme Mengen an Rauschen, das in die ADC-Messwerte eingekoppelt wurde, wenn Lese-/Schreibaktivitäten auf der SD-Karte stattfanden.

Mein Board ist aus Kostengründen zweischichtig. Ich habe es geschafft, so ziemlich eine solide Grundebene auf der unteren Schicht beizubehalten. Ich habe die störenden Komponenten (wenn sie nicht richtig platziert sind) als Schaltnetzteil, SD-Karte, USB und Quarzoszillator identifiziert. Siehe Schema:

Ich denke, meine Hauptzweifel sind im Moment die Erdung der Platine sowie die Signalintegrität für meine analogen Messwerte. Bitte geben Sie hierzu eine Anleitung.

SMPS - Ich verwende einen LMR23610-Abwärtswandler. Ich habe das genaue Layout befolgt, das im Datenblatt angegeben ist. Meine einzige Verwirrung war dies im Datenblatt:

Haben Sie eine einzelne Erdungsverbindung zum Flugzeug. Die Masseanschlüsse für die Rückmelde- und Freigabekomponenten sollten auf die Masseebene geführt werden. Dadurch wird verhindert, dass Schalt- oder Lastströme in den analogen Massebahnen fließen. Bei unsachgemäßer Handhabung kann eine schlechte Erdung zu einer verschlechterten Lastregelung oder einem unregelmäßigen Welligkeitsverhalten der Ausgangsspannung führen.

Ich denke, es bedeutet, dass sich auf der obersten Schicht um den gesamten Konverter herum eine lokale Masseebene befinden sollte, die nur an einem Punkt (wahrscheinlich über eine Durchkontaktierung) mit der breiten Masseebene der Leiterplatte verbunden sein sollte. TI hat eine Musterplatine für diesen Chip hergestellt, außer dass sie diesen Rat nicht befolgt haben, sondern 4 x Vias neben jeder der Masse der Eingangs- und Ausgangskondensatoren hatten. Ich habe dies gegebenenfalls für mein Design getan. Sieht mein SMPS-Layout in Ordnung aus und ist dies das Richtige?

Stromverteilung - Ich wollte die Masseebene der unteren Schicht so wenig wie möglich stören, was einige Schwierigkeiten beim Verlegen aller Spuren verursachte. Um die Leistungsspuren einfach anzuschließen, dachte ich, die gesamte oberste Schicht (außer der SMPS-Region) mit einem Polygonguss zu überfluten, der an 3,3 V (Ausgang des Abwärtswandlers) angeschlossen ist. Das heißt, in meiner obersten Schicht befinden sich zwei Polygongüsse - ein lokaler GND für das SMPS und ein 3,3-V-Ausgang vom SMPS. Wird mir das irgendwelche Probleme bereiten? Ich hätte es stattdessen mit GND überfluten können, aber ich dachte, ich könnte alle GND-Verbindungen mit Durchkontaktierungen herstellen, die direkt mit meiner unteren Schicht verbunden sind.

Mein letzter Zweifel ist, wie ich den Quarzoszillator angeschlossen habe. Ich habe eine Erdungsinsel um den Kristall herum erstellt und Kondensatoren mit drei Durchkontaktierungen geladen, die mit der festen Erdungsebene darunter verbunden sind. Wäre das in Ordnung? Es ist so angeschlossen

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Auch für die digitalen Signalleitungen (SD-Karte, USB) habe ich darauf geachtet, die Masseebene darunter nicht zu stören, da ich weiß, dass die Rückströme unter den Signalspuren fließen werden. Alle Spuren sind 10mil breit. Ich habe alle Entkopplungshinweise von ST für diese MCU befolgt.

Ist mein Layout insgesamt in Ordnung und wird es keine signifikanten Probleme wie verrauschte Messwerte auf meinem ADC geben? Ich würde eine Genauigkeit von +/- 0,01 V ablesen, wie ich gesehen habe, als ich dies auf einem Entwicklungsboard gebaut habe. Jeder Rat wird geschätzt, da dies das zweite Mal ist, dass ich eine Leiterplatte erstellt habe, also bin ich ein Anfänger.

Schema:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Brett: Oberste Schicht

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Obere Schicht gießenGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Untere SchichtGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich würde die GND-Durchkontaktierungen ohne thermische Entlastungen direkt mit dem unteren Polygon verbinden, es sei denn, Sie möchten eine hohe Induktivität und schlechte thermische Eigenschaften auf dem Kühlkörper von U14. Sie können dies im Polygonverbindungsstil einrichten. Auch die thermischen Entlastungen in den GND-Anschlüssen von CN1 und C14 wirken etwas dünn.
Das USB-Routing hat nicht die richtige Impedanz, gemessen an der Spurbreite / dem Abstand, den ich aus Ihrem Screenshot erraten kann. Vielleicht möchten Sie auch einige Schutzschaltungen an Ihren Eingängen gegen ESD usw. Sicherlich gäbe es noch viel mehr zu sagen, und wenn dies ein kommerzielles Unterfangen ist, kann es sich lohnen, jemanden einzustellen, der daraus ein Produkt macht.
Stellen Sie sicher, dass es keine aktive USB- oder FS-Datenübertragung gibt, während Sie die Konvertierung durchführen, um sie zu verbessern, wenn Sie dies noch nicht tun.
Danke, dass Sie mich über die thermischen Erleichterungen informiert haben. Ich werde das jetzt beheben. Bezüglich des USB hatte ich das STM32-Datenblatt eingesehen und es hieß, dass keine Inline-Widerstände erforderlich sind, da der USB-Controller in der MCU sich darum kümmert. Ich habe festgestellt, dass dies beim Entwicklungsboard der Fall ist, das auch keine Inline-Widerstände hatte. Zum ESD-Schutz - Ich habe dies vor einiger Zeit gefragt, siehe electronic.stackexchange.com/questions/398533/… . Mir wurde gesagt, dass meine Widerstände und OPAMPs sich darum kümmern werden. Was denken Sie?
@Russell Die Antwort bezüglich ESD, die Sie erhalten haben, scheint ungefähr richtig zu sein. Wenn Sie keine besonderen Anforderungen haben, sollten Sie in Ordnung sein. Wenn Sie beabsichtigen, dies als Produkt zu zertifizieren, sollten Sie sich über die geltenden Normen informieren. In Bezug auf USB: Ich meinte die differentielle Leiterbahnimpedanz, nicht Inline-Komponenten. Zu Ihrer Messgenauigkeit: Mit dem Spannungsteiler an den Eingängen und Ihrer Referenzspannung sind +/- 10mV etwa +/- 1LSB des STM32 ADC. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Batteriespannung relativ langsam ändert, könnten Sie eine zusätzliche Rauschfilterung/Oversampling in Software implementieren.
Ok, danke für die Bestätigung. Dies wird als Produkt installiert, es muss jedoch keine Zertifizierung erfüllt werden. Es muss nur einfach herstellbar sein. Mein Fehler in Bezug auf USB, ich werde mich mit der differentiellen Leiterbahnimpedanz befassen. Für die Messung bin ich ja schon in der Software oversampling, weshalb ich wohl meine geforderte Genauigkeit hatte. Was denken Sie über das Layout, insbesondere die Anordnung der Top-Layer-Guss? Glaubst du, es wird mir Probleme bereiten?
Kannst du einen Screenshot mit dem Gießen posten?
Ich habe das jetzt hinzugefügt
Sie sollten den Guss direkt an den Anschlüssen der Ausgangskappen anschließen. Jetzt fließt der Strom des gesamten Systems durch die Sensorleitung, was sicherlich nicht das ist, was Sie wollen. Vielleicht könnten Sie den gesamten Block um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn drehen, um kürzere Verbindungen zu erreichen.

Antworten (1)

Wenn es um Rauschen geht, würde es wahrscheinlich helfen, ein paar 10-uF-Keramikkondensatoren in der Nähe der Operationsverstärker sowie auf der SD-Karte hinzuzufügen. Die SD-Karte hat während der R/W-Vorgänge ziemlich schnelle Transienten, die als Rauschen entlang des 3V3 übertragen werden. Außerdem können Sie beim Messen von Batterien einen Großteil des Rauschens in FW beseitigen, da die Änderungen der Werte auf den Batterien sehr langsam sind.

EMV und ESD Wenn ich das richtig verstehe, handelt es sich um ein Produkt, das daher den örtlichen Emissionsvorschriften entsprechen sollte. Das erste, was mir auffällt, ist, dass Sie keinen ESD-Schutz auf der SD-Karte oder dem USB haben; Ich schlage vor, einige TVS-Schutzdioden mit niedriger Kapazität sowohl auf den Strom- als auch auf den Datenleitungen hinzuzufügen.

Die USB-Spuren sollten als 90-Ohm-Differentialpaare geroutet werden; Wenn Sie dies richtig machen, verringern Sie die Wahrscheinlichkeit von Reflexionen auf diesen Leitungen und damit von leitungsgebundenen Emissionen. Ich schlage vor, dass Sie das ausgezeichnete PCB Toolkit von saturnpcb.com herunterladen , es ist ein großartiges Tool, das eine Funktion hat, die für Sie die Leiterbahnimpedanz berechnet. Es ist nicht so gut wie die Polar-Tools, aber es ist kostenlos und bringt Ihnen, was Sie brauchen.

Danke für Ihren Rat, sollte ich diese 10uF-Kappen zu den VCC-Leitungen der SD-Karte und der Operationsverstärker hinzufügen? Dies wird kein Verbraucherprodukt sein. Es ist etwas davon, was ich tue. Ich habe bereits Schutz auf dem USB (USB LC6 IC) hinzugefügt. Ich dachte, ich würde es auf der SD-Karte überspringen, da diese meistens nicht kontaktiert wird. Vielen Dank, dass Sie mich über dieses Tool informiert haben. Ich werde sicherstellen, dass die Impedanz korrekt ist.
Ja, die Kondensatoren müssen so nah wie möglich an den Operationsverstärkern und am SD-Kartenanschluss sein.
Ich habe gerade diesen Rechner online verwendet - eeweb.com/tools/edge-coupled-microstrip-impedance . Für 2-Lagen-Boards waren meine Eingaben T = 1 oz/ft^2, H1 = 1,6 mm, W = 45 mil, S = 6 mil (Minimum vom Leiterplattenhersteller), Er angenommen = 4,5. Dies gab mir eine Diff-Impedanz von 87,9R. Aber die Spurbreite ist so dick? Ich kann nicht einmal eine so dicke Spur an die MCU-Pins anschließen, also was wäre hier das Beste?
Ich würde empfehlen, eine Spur von 47 mils und eine Lücke von 7 mils zu verwenden, da Sie dadurch einen Z-Diff von 90 Ohm erhalten. Der Lüfter aus dem Anschluss und in die MCU muss so breit sein, wie Sie ihn bekommen können, und dann zu den oben genannten Werten übergehen. Dies ist gängige Praxis, und obwohl es nicht ideal ist, besteht die Impedanzfehlanpassung nur für eine kurze Strecke. Wenn Sie sich nicht an diese Plattendicke halten, erlauben Ihnen die meisten Chinesen, ohne zusätzliche Kosten eine 1 mm dicke Platte zu wählen. Bei dieser Plattendicke wäre die Spur 30 mil und die Lücke 7 mil
Erdung und Signalintegrität meines PCB-Layouts (ADC, SMPS, SD-Karte, USB)
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v