Conexión a tierra e integridad de la señal de mi diseño de PCB (ADC, SMPS, tarjeta SD, USB)

Actualmente estoy diseñando un sistema de monitoreo de batería para un paquete de baterías de litio de 8 celdas. Originalmente hice el dispositivo usando una placa de desarrollo y una placa de prueba STM32, con una tarjeta SD para registrar datos. El sistema tenía una precisión de +/- 0,01 V, pero tenía una gran cantidad de ruido asociado a las lecturas del ADC cuando había actividad de lectura/escritura en la tarjeta SD.

Mi tablero es de dos capas debido a limitaciones de costos. Me las he arreglado para mantener prácticamente un plano de tierra sólido en la capa inferior. Identifiqué los componentes problemáticos (si no se colocaron correctamente) como la fuente de alimentación conmutada, la tarjeta SD, el USB y el oscilador de cristal. Ver esquema:

Creo que mis principales dudas en este momento son la conexión a tierra de la placa y la integridad de la señal para mis lecturas analógicas. Por favor, se podría dar orientación sobre esto.

SMPS: estoy usando un convertidor reductor LMR23610. He seguido el diseño exacto dado en la hoja de datos. Mi único punto de confusión fue esto en la hoja de datos:

Tener una conexión a tierra de un solo punto al avión. Las conexiones a tierra para los componentes de retroalimentación y habilitación deben enrutarse al plano de tierra. Esto evita que cualquier corriente conmutada o de carga fluya en las trazas de tierra analógicas. Si no se maneja adecuadamente, una conexión a tierra deficiente puede resultar en una regulación de carga degradada o un comportamiento errático de la ondulación del voltaje de salida.

Creo que significa que debe haber un plano de tierra local en la capa superior alrededor de todo el convertidor, que solo debe conectarse al plano de tierra ancho de la PCB en un punto (probablemente a través de una vía). TI ha hecho una placa de muestra para este chip, excepto que no siguieron este consejo, sino que tenían 4 vías junto a cada una de las conexiones a tierra de los condensadores de entrada y salida. He hecho esto cuando corresponde para mi diseño. ¿Mi diseño SMPS se ve bien y es lo correcto?

Distribución de energía: quería alterar el plano de tierra de la capa inferior lo menos posible, lo que causó bastante dificultad para enrutar todos los rastros. Para conectar fácilmente las trazas de energía, pensé en simplemente inundar toda la capa superior (aparte de la región SMPS) con un polígono conectado a 3.3V (salida del convertidor reductor). Es decir, hay dos vertidos de polígonos en mi capa superior: un GND local para SMPS y una salida de 3.3V desde SMPS. ¿Esto me causará algún problema? Podría haberlo inundado con GND en su lugar, pero pensé que podría hacer todas las conexiones GND con vías conectadas directamente a mi capa inferior.

Mi última duda es cómo he conectado el oscilador de cristal. He creado una isla de tierra alrededor del cristal y los capacitores de carga con tres vías que se conectan al plano de tierra sólida debajo. ¿Esto estaría bien? esta conectado asi

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También para las líneas de señal digital (tarjeta SD, USB), me aseguré de no perturbar el plano de tierra que se encuentra debajo, ya que sé que las corrientes de retorno fluirán por debajo de las huellas de la señal. Todos los trazos tienen un ancho de 10 mil. He seguido todos los consejos de desacoplamiento dados por ST para este MCU.

En general, ¿está bien mi diseño y no habrá problemas significativos, como lecturas ruidosas en mi ADC? Tendría lecturas de precisión de +/- 0.01V como vi cuando construí esto en una placa de desarrollo. Se agradece cualquier consejo, ya que es la segunda vez que hago una PCB, así que soy un principiante.

Esquemático:ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Tablero: capa superior

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Verter la capa superioringrese la descripción de la imagen aquí

Capa inferioringrese la descripción de la imagen aquí

Conectaría las vías GND directamente al polígono inferior sin relieves térmicos a menos que desee una alta inductancia y malas propiedades térmicas en el disipador térmico de U14. Puede configurar esto en el estilo de conexión de polígono. También los alivios térmicos en las conexiones GND de CN1 y C14 parecen un poco delgados.
El enrutamiento USB no tiene la impedancia correcta a juzgar por el ancho/espacio de la pista que puedo adivinar de su captura de pantalla. También es posible que desee algunos circuitos de protección en sus entradas contra ESD, etc. Ciertamente, habría mucho más que decir, y si se trata de un esfuerzo comercial, puede valer la pena contratar a alguien para que haga un producto.
Asegurarse de que no haya una transferencia de datos USB o FS activa, mientras realiza la conversión es la forma más fácil de mejorarla, si aún no lo está haciendo.
Gracias por informarme sobre los alivios térmicos. Voy a arreglar esto ahora. Sobre el USB, revisé la hoja de datos de STM32 y decía que no hay necesidad de resistencias en línea ya que el controlador USB dentro de la MCU se encarga de esto. Descubrí que este era el caso con la placa de desarrollo, que tampoco tenía resistencias en línea. Acerca de la protección ESD: pregunté esto hace un tiempo, consulte electronics.stackexchange.com/questions/398533/… . Me dijeron que mis resistencias y OPAMP se encargarán de esto. ¿Qué opinas?
@Russell La respuesta sobre ESD que obtuviste parece correcta. Si no tiene ningún requisito especial, debería estar bien. Si planea certificar esto como un producto, es posible que desee verificar los estándares aplicables. Con respecto a USB: me refiero a la impedancia de traza diferencial, no a los componentes en línea. Con respecto a la precisión de su medición: con el divisor de voltaje en las entradas y su voltaje de referencia, +/- 10mV es aproximadamente +/- 1LSB del STM32 ADC. Debido al hecho de que el voltaje de la batería cambia con relativa lentitud, podría implementar filtros de ruido/sobremuestreo adicionales en el software.
Bien, gracias por confirmar. Esto se instalará como un producto, sin embargo, no es necesario cumplir con la certificación. Solo necesita ser fácilmente fabricado. Mi error sobre el USB, investigaré la impedancia de traza diferencial. Para la medición, sí, ya estoy sobremuestreando en el software, por lo que probablemente obtuve la precisión requerida. ¿Qué piensas sobre el diseño, especialmente la disposición de los vertidos de la capa superior? ¿Crees que me traerá problemas?
¿Puedes publicar una captura de pantalla con el vertido?
He agregado esto ahora
Debe conectar el vertido directamente en los terminales de las tapas de salida. Ahora, la corriente de todo el sistema fluye a través de la línea de detección, lo que ciertamente no es lo que desea. Tal vez podría girar todo el bloque 90 grados CCW para lograr conexiones más cortas.

Respuestas (1)

Cuando se trata de ruido, probablemente sería útil agregar un par de capacitores cerámicos de 10uF cerca de los amplificadores operacionales, así como a la tarjeta SD. La tarjeta SD tendrá transitorios bastante rápidos durante las operaciones R/W, que se transferirán como ruido a lo largo del 3V3. Además, mientras mide las baterías, puede deshacerse de gran parte del ruido en FW, ya que los cambios en los valores de las baterías son muy lentos.

EMC y ESD Si entiendo correctamente, este va a ser un producto y, por lo tanto, debe cumplir con las normas de emisión locales. Lo primero que noto es que no tiene protección ESD en la tarjeta SD o el USB; Sugiero agregar algunos diodos de protección TVS de baja capacitancia en las líneas de alimentación y datos.

Las trazas USB deben enrutarse como pares diferenciales de 90 ohmios; si lo hace correctamente, reducirá la posibilidad de reflejos en estas líneas y, por lo tanto, de emisiones conducidas. Le sugiero que descargue el excelente PCB Toolkit de saturnpcb.com , es una gran herramienta, que tiene una función que le calculará la impedancia de la pista. No es tan bueno como las herramientas de Polar, pero es gratuito y te proporciona lo que necesitas.

Gracias por su consejo, ¿debería agregar estos límites de 10uF a las líneas VCC de la tarjeta SD y los amplificadores operacionales? Esto no va a ser un producto de consumo. Es algo de lo que estoy haciendo. Ya he agregado protección en el USB (USB LC6 IC). Pensé que lo omitiría en la tarjeta SD porque la mayoría de las veces no se contactará con esto. Gracias por informarme sobre esa herramienta. Me aseguraré de que la impedancia sea correcta.
Sí, los condensadores deben estar lo más cerca posible de los amplificadores operacionales y del conector de la tarjeta SD.
Acabo de usar esta calculadora en línea: eeweb.com/tools/edge-coupled-microstrip-impedance . Para la placa de 2 capas, mis entradas fueron T = 1 oz/ft^2, H1 = 1,6 mm, W = 45 mil, S = 6 mil (mínimo del fabricante de pcb), Er supuesto = 4,5. Esto me dio una impedancia diferencial de 87.9R. ¿Pero el ancho del trazo es tan grueso? Ni siquiera puedo conectar un rastro tan grueso a los pines de MCU, entonces, ¿qué sería lo mejor que se puede hacer aquí?
Recomendaría usar una pista de 47 mils y un espacio de 7 mils, ya que le dará una diferencia Z de 90 ohmios. El abanico desde el conector hasta la MCU tendrá que ser lo más ancho posible y luego hacer la transición a los valores mencionados anteriormente. Esta es una práctica común y, aunque no es lo ideal, el desajuste de impedancia es solo por un breve período. Si no está atascado con ese grosor de placa, la mayoría de los chinos le permitirán elegir una placa de 1 mm de grosor sin costo adicional. Con ese grosor de placa, la pista sería de 30 milésimas de pulgada y la brecha de 7 milésimas de pulgada.