La señal USB cae a baja temperatura

La señal, como se muestra, indica que tiene un desacoplamiento de CA en algún lugar de la línea de transmisión USB de alta velocidad, ya que cada una de las señales D+ y D- (a la izquierda de la pantalla) parece estar cambiando al área positiva y NEGATIVA en relación con terreno común. Las líneas HS deben ser de conexión directa, sin tapas de bloqueo de CC como en la señalización USB3.0.

En la señalización normal de HS, tanto D+ como D- solo oscilan desde el suelo hacia arriba, no hacia el área negativa. Es posible que haya algún defecto, pero no en el grado que se muestra en el oscilograma.

EDITAR: con frecuencia, este tipo de señalización extraña y todo tipo de comportamiento inestable ocurre cuando la parte inferior del chip no está soldada a una placa de circuito impreso, que debe conectarse con una multitud de vías a un plano de tierra de señal sólido en capas internas.

EDIT2: este no es un diagrama de ojo según lo definido por las especificaciones USB-IF. Consulte este documento de Agilent/keysightpara el equipo necesario (accesorios de prueba) y los procedimientos correctos. No está claro qué patrón se muestra, desde el host, desde el concentrador o después del concentrador. En cualquier caso, aunque la señal no se promedia estadísticamente según las especificaciones USB, hay una "bandera roja": la traza n.° 2 muestra una frecuencia promedio de 239,62 MHz (suponiendo que su osciloscopio esté calibrado de fábrica). Por lo tanto, la desviación de los 240 MHz nominales es 0,4/239,6 = 0,001669 o 1669 ppm. Esto es más de 3 veces fuera de las 500 ppm requeridas. Es probable que el cambio de temperatura resulte en un cambio de frecuencia excesivo, lo que va más allá de la tolerancia extendida de los receptores anfitriones. Compruebe la estabilidad y el margen de fase en el oscilador de cristal que alimenta el concentrador USB.

EDIT3: con respecto al analizador de protocolo USB, si desea depurar el tráfico USB 3.0+, solo conozco dos instrumentos, Ellisys Explorer 350 y Teledyne / LeCroy Advisor T3 (en modelos asequibles, $ 2,500). Si desea limitar la funcionalidad solo a USB2.0, hay un par de instrumentos disponibles, comenzando con Beagle USB 5000 por $500. Pero necesitará obtener uno o dos años de práctica y un conocimiento profundo del protocolo USB para dar sentido a los rastros y hacer una interpretación correcta de los eventos del bus.

ACTUALIZACIÓN FINAL: Después de probar todo lo relacionado con la señal, puse un microscopio a los voltajes del bus de 5v, 3.3v y 1.2v y noté que el bus de 1.2v tiene una ondulación de 800mV... cambiar la tapa de salida del regulador a 100uF redujo la ondulación a 50mV y ahora la placa funciona a -20C!

A la mitad de su pregunta, lo primero que sospeché fue que un condensador de desacoplamiento se estaba comportando mal, ya sea debido a un aumento de ESR o pérdida de capacitancia, lo que puede aumentar la ondulación o hacer que su regulador de voltaje se vuelva inestable.

¿Recibió tapas Y5V en lugar del X7R que especificó? Sus ojos no notarán la diferencia, y los MLCC no tienen marcas, pero la variación de capacitancia frente a la temperatura es significativa...

( fuente )

A los electrolíticos tampoco les gusta el frío.

Tenga en cuenta que este es un documento promocional del fabricante y quieren vender gorras OSCON, por lo que el gráfico hace que las gorras OSCON se vean bien. Pero... a las tapas electrolíticas estándar todavía les desagradan las bajas temperaturas, mientras que las tapas de polímero funcionan bien. Consulta la ficha técnica...

La ESR de las tapas de tantalio también depende de la temperatura:

( fuente )

Entonces, aumentó la capacitancia y funcionó. Esto no significa que el problema esté resuelto. Tal vez el número de tableros problemáticos disminuyó, pero sigue siendo inaceptable.

Verifique la capacitancia y ESR vs temperatura de sus tapas, versus las condiciones de estabilidad de su regulador de voltaje. Si encuentra que las condiciones de estabilidad no se cumplieron a baja temperatura con el límite anterior, entonces tiene una respuesta.

Su problema también podría ser un LDO marginalmente estable que se vuelve inestable cuando hace frío. Entonces, verifique dos veces la hoja de datos de LDO, ¿qué dice sobre la temperatura?

"LDO marginalmente estable" puede deberse a un diseño o mayúsculas incorrectas (entrada y salida), por ejemplo. Tal vez se volvió inestable porque el LDO en sí era más frío, y no las tapas, y tal vez una capacitancia más grande solucionó esto. ¿Quizás el problema es la tapa en la entrada del LDO que el ensamblador sustituyó con Y5V? ¿Quién sabe?

Lo que digo es que no diga simplemente "arreglado" antes de volver a comprobarlo.