¿Podría EMI haber destruido un módulo?

Tengo un dispositivo, que consta de un controlador lógico, con algunas entradas, salidas, fuentes de alimentación conmutadas, relés, comunicación (todo lo habitual) y un módulo RFID, clasificado para algunas potencias más altas (hasta 2A@5V, pero generalmente consume 0.5A). Todo lo mencionado se coloca en una PCB. Hay un gran plano de tierra debajo de todos los componentes, además del RFID, que se asienta sobre su propio plano de cobre. Las dos partes están conectadas con un haz de cables (de unos 15 cm de largo).

un boceto esquemático de la PCB principal del dispositivo

Y aquí está el problema: dos de mis módulos RFID dejaron de funcionar repentinamente, en circunstancias muy similares. Conecté todos los cables y verifiqué si todo funcionaba, junto a su gabinete de destino. Saqué un fusible, cerré la carcasa de plástico de los controladores y luego lo puse todo dentro de un gabinete de metal más grande. Después de volver a enchufar el fusible, RFID no respondió. Dos fallas idénticas, en dos sitios diferentes, ocurriendo durante la instalación. No he tenido ningún percance similar al encender el dispositivo en mi escritorio, aunque lo reinicié docenas de veces.

Entonces, comencé a buscar fallas en el diseño. Lo primero que me llamó la atención fue el hecho de que RFID y el resto no comparten el mismo terreno. Fue alarmante, porque el microcontrolador del módulo RFID está conectado directamente al micro de mi controlador lógico. Estos se comunican a través de UART y algunas otras líneas, sin separación, además de una resistencia de 33 o 50 ohmios (no recuerdo exactamente). Entonces, 2 IC se comunican directamente, a pesar de no tener un terreno común. Los dos terrenos no están flotando, en relación uno con el otro, porque, obviamente, no funcionaría en absoluto. En cambio, estos están separados por una perla de ferrita. Por lo tanto, el diseñador del circuito quería mantener todas las frecuencias altas potenciales dentro de la RFID y no dejar que ninguna pasara al resto de la placa.

Instantáneamente verifiqué la caída de voltaje en esa cuenta. Durante el funcionamiento normal, fue de alrededor de 100 mV, con un pico de 200 mV, a alta frecuencia. Así que no terrible. Luego, me concentré en el momento exacto en que enciendo el dispositivo. Para encenderlo, presioné un interruptor en una toma de corriente de 230V. Los terminales de la sonda del osciloscopio se colocaron entre los dos planos de tierra. Cada vez que pulsaba el interruptor, el osciloscopio se activaba. Como puede ver a continuación, las oscilaciones tienen una amplitud significativa, superando fácilmente las clasificaciones máximas absolutas de IC. Forma de onda entre RFID y tierra del controladorLuego reemplacé la perla de ferrita, entre los dos planos de cobre con un puente de soldadura.Forma de onda entre los terrenos de RFID y del controlador, después de cortocircuitar los terrenosComo puede ver, la amplitud se redujo significativamente. Lo siguiente que hice fue convertir dos sólidos de cobre en uno. Acabo de raspar un poco de máscara de soldadura y soldarlos juntos. Pero las formas de onda seguían teniendo el mismo aspecto que tenían después de deshacerse de la perla de ferrita. Para asegurarme de que la forma de onda que medí no era solo un error que detectó el osciloscopio, cortocircuité los terminales de la sonda y los puse más o menos en el mismo lugar en el que estaba antes. No se activó. Luego puse un trozo de cable (de unos 30 cm) entre las sondas; captó una forma de onda similar a la que vi entre los planos de cobre. Cuanto más largo era el cable, mayor era la amplitud de la señal.

Así que mi hipótesis es: cambiar la fuente de alimentación a la red eléctrica genera algún tipo de perturbación electromagnética. Los cables y la placa lo recogen, y la corriente de alta frecuencia induce entre parte de mi dispositivo, destruyendo el módulo RFID más vulnerable.

Como puede ver, soy bastante nuevo en el concepto de EMI y demás. El dispositivo es el prototipo de mi empresa y puedo hacer cambios en el diseño final. El diseñador que hizo el PCB original fue nuestro subcontratista (outsourcing).

Agradezco todas sus respuestas.

máx.

Tendría que decir mucho más, como cómo se conectó el osciloscopio y dónde exactamente y si era una sonda 10x con pinza de cocodrilo y si estaba en un tomacorriente con conexión a tierra. ¿La entrada de la fuente de alimentación está conectada a tierra? ¿La salida de la fuente de alimentación flota o también está conectada a tierra? ¿Dónde está el interruptor de encendido, en la entrada o salida de la red? ¿Qué sucede si se rompió debido a ESD cuando las cargas se acumularon en la caja de plástico y se descargaron al conectar el cableado?
Ok, voy a responder a todos, uno por uno. 1. El alcance estaba conectado a tierra, conectado a una toma de corriente, a pocos metros de una fuente de alimentación de 24 V. La sonda es solo una sonda estándar, con pinza de cocodrilo configurada en x1. El terminal negativo de la sonda (cocodrilo) se colocó en un pin de tierra no utilizado de la toma de corriente en la placa, justo al lado del enchufe de alimentación de 24 V. El segundo terminal se colocó en una parte expuesta del plano de tierra RFID. 2. PS se ve exactamente como la mayoría de los adaptadores para portátiles. Su entrada está conectada a tierra, la salida probablemente no lo esté. 3. El interruptor de alimentación se coloca en la toma de corriente, de la que PS toma la alimentación.
4. Conecto el cableado y luego lo pruebo. Funciona. Luego desconecto la alimentación eléctrica, pongo una tapa y luego monto la caja en su lugar dentro de un gabinete de metal. Cuando lo enciendo de nuevo, no funciona.
Anuncio 2. En realidad, encendí la PS y medí el voltaje entre la tierra en la toma de corriente y el negativo de CC de la PS. Muestra 0 en las medidas de CC y CA. Entonces, probablemente, la salida también esté conectada a tierra. Pero por lo general no es el caso con las fuentes de alimentación en el sitio. No estaban conectados a tierra, por lo que recuerdo. Pero todas las medidas se hicieron en mi "laboratorio", con el equipo que describí anteriormente.
@Justme - asegurándose de que te notifiquen
Lo más probable es un problema de conexión a tierra. Un poco quisquilloso, pero dado que estamos hablando de tierra, usa 0V (flecha que apunta hacia abajo) y el símbolo de tierra del chasis en su diagrama. ¿Podría aclarar exactamente cómo se conectan la salida de 0 V de su fuente de alimentación, la tierra verdadera y el chasis?
@winny El símbolo que uso en el plano principal de la PCB está destinado a ser un símbolo de tierra común y significa "0V" aquí. La flecha que apunta hacia abajo se usa para enfatizar el hecho de que estos dos no son lo mismo. La tierra RFID y la tierra principal están separadas por una perla de ferrita. La tierra y la tierra del chasis no están presentes en este caso. La carcasa de la PCB es de plástico.
Bien. Pero aún no está claro si el chasis está conectado a tierra de protección.
@winny por chasis te refieres al gabinete de metal? ¿O fuente de alimentación?
Terreno real. Un chasis metálico por sí mismo (flotante) no hace nada.
@winny si todo se hace correctamente, el gabinete de metal debe estar conectado a tierra de protección. En este caso particular, la PSU también está conectada a tierra, pero las PSU que instalé en el sitio no lo estaban.
Entiendo. Pero aclare la situación exacta detrás de los resultados de la medición.
@winny para que la tierra de protección esté conectada al osciloscopio, el gabinete y la fuente de alimentación. No hay voltaje de modo común en la salida de CC de la fuente de alimentación cuando está en funcionamiento o apagada. Probablemente esté presente cuando se enciende la fuente de alimentación. La salida de CC negativa está conectada al plano de tierra de la PCB. Esa es la configuración en la que tomé medidas. Pero en los sitios, usé PSU sin conexión a tierra, también usé la entrada de CA de mi PCB, por lo que hay un puente de diodo adicional para la rectificación.

Respuestas (1)

¡Esta es una pregunta bien presentada!

La cuenta entre los dos terrenos es una idea bastante terrible en mi opinión:

  1. necesitas ese terreno como retorno para tus señales
  2. obviamente, sus dos tierras y las dos fuentes de alimentación están flotando en HF porque están desacopladas en HF.

Creo que tu análisis es bastante acertado. Cuanta más inductancia coloque entre las dos tierras, más descontrolada será la diferencia en el voltaje de tierra entre los dos módulos RFID. Al mismo tiempo, creo que la conexión de la fuente de alimentación (cables rojos) en realidad tiene una impedancia bastante baja porque el estrangulador tiene muchas fugas al ruido de alta frecuencia. Como resultado, un pico de voltaje de modo común en la placa principal se disparará hacia el suministro de la RFID, pero no hacia la tierra, generando un voltaje excesivo en la placa RFID.

Remedios

  1. Unir los dos terrenos juntos

Para mejorar aún más más allá del puente de soldadura, tendría que unir los dos planos a través de un plano , es decir, hacerlos un plano, en lugar de dos planos en cortocircuito a través de algún tipo de puente.

Como la solución de un hombre pobre para lograr esto, podría unir ambas placas completamente al chasis a través de varios pernos. Sin embargo, esta no es una opción 100% deseable y también debe proporcionar una conexión a tierra de baja impedancia en paralelo con sus señales y energía además, por ejemplo, en virtud de cables que se fijan a los cables de señal y energía existentes. Esto es para evitar grandes voltajes diferenciales debido a la rápida interferencia del campo magnético.

Al conectar a tierra, parecería que entra en conflicto con la intención de la perla de ferrita, a saber: "En cambio, estos están separados por una perla de ferrita. Por lo tanto, el diseñador del circuito quería mantener todas las frecuencias altas potenciales dentro de la RFID y no dejar que ninguna al resto de la junta". Pero primero, diría que este problema se resuelve con una distribución adecuada alrededor del módulo RFID, es decir, rutas de retorno estrechas en la fuente de alimentación. Y segundo, debe filtrar las señales y las líneas eléctricas, pero no el suelo. El suelo es el potencial de referencia y debe ser idealmente rígido como una roca en todo el dispositivo.

  1. Bloquea el ruido que ingresa a tu dispositivo

Los convertidores CA-CC suelen tener una gran tensión de modo común en la salida, que surge del acoplamiento capacitivo a los cables de red. Cuando los conecta, una gran ola de voltaje de modo común viaja hacia su dispositivo a través del par de cables de 24V-0V. En primer lugar, evite/retrase que este pico llegue a su placa base: pruebe con una perla de ferrita con abrazadera en los cables de alimentación. Deben envolver tanto el cable de 24 V como el de 0 V y bloquearán el ruido de modo común del convertidor de 24 V.

Gracias. Afortunadamente, convertir dos aviones en uno fue fácil: la brecha entre ellos era bastante pequeña. Acabo de soldarlos con una línea larga de soldadura. La fuente de alimentación que usé en mi escritorio tiene dos perlas de ferrita de fábrica. Sé que veo que el voltaje de modo común es obviamente una cosa. Hice algunas medidas nuevas. Ahora pongo un terminal del osciloscopio a tierra, el segundo se coloca en una de las salidas de CC. Durante el arranque, el voltaje en un osciloscopio oscila de manera oscilante, de -200 a 200 V. ¿Puede decir qué es lo que vi en el alcance en las imágenes en la publicación? ¿Es radiado o solo es voltaje conducido?
Tal como lo describe, forma una gran antena de cuadro con su sonda de alcance al conectar el cable de tierra en algún lugar de la tierra, por lo que podría ser una emisión muy bien radiada. Pero como dije, dependiendo de cómo funcione el interruptor de red, puede ocurrir que no obtenga voltaje de modo común cuando está apagado, y solo "habilite" el voltaje de modo común cuando lo enciende, en este caso también puede ser realizado. Tome un multímetro, configúrelo en voltaje de CA y mida entre el cable de 24 V y la conexión a tierra. Cuando esté encendido, es probable que vea algo como 100 VCA. Cuando está apagado puede ser diferente. @Maks
esta fuente de alimentación particular que uso en mi banco está conectada a tierra protectora. Cuando está apagado, no hay voltaje de modo común. Aparece en el momento de pulsar el interruptor y luego desaparece (el multímetro muestra algunos valores grandes durante medio segundo). Pero no será el caso cuando la fuente de alimentación no tenga conexión a tierra. Entonces, para resumir su respuesta, ¿piensa que no importa de dónde provengan las perturbaciones, debería haber un terreno común y un circuito bien diseñado y nada debería romperse?
@Maks "¿piensas que no importa de dónde provengan las perturbaciones, debería haber un terreno común y un circuito bien diseñado y nada debería romperse?" Sí, esa es la esencia. Sin embargo, "pero no será el caso cuando la fuente de alimentación no tenga conexión a tierra". Esta conclusión es prematura. Incluso la fuente de alimentación "flotante" tendrá capacitancia entre el lado de CA y la salida de CC. Si mide el voltaje de CA entre la salida y la tierra (aislada) de un SMPS estándar, verá ~100 VCA de voltaje de modo común en la salida. Tiene una impedancia bastante alta, pero puede dañar las partes sensibles cuando se filtra en el diferencial. modo, por ejemplo, durante el encendido.
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