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
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.
Tablero: capa superior
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.
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