Protección contra EMI

Tengo un problema complejo de EMI.

Hay un módulo de cómputo RPi junto con un módem LAN9512 y GSM (M66).

Las pautas de diseño siguen estrictamente las recomendaciones de las hojas de datos, no creo que haya nada que pueda ser mucho mejor a su alrededor en el diseño.

Ahora RPi y LAN9512 están conectados a través de pares diferenciales de USB, pero cuando el módem GSM está activo (es decir, se conecta a la red, recibe llamadas, etc.), LAN9512 se desconecta del usb y vuelve solo después de un reinicio completo .

Este es el problema principal que me gustaría resolver aquí.

Registro de consola del problema:

kernel: [   10.172712] usb 1-1-port1: disabled by hub (EMI?), re-enabling...
kernel: [   10.172750] usb 1-1.1: USB disconnect, device number 4
kernel: [   10.173135] smsc95xx 1-1.1:1.0 eth0: unregister 'smsc95xx' usb-‎20980000.usb-1.1, smsc95xx USB 2.0 Ethernet
kernel: [   10.175308] hub 1-1:1.0: hub_ext_port_status failed (err = -71)
kernel: [   10.175332] usb 1-1-port1: connect-debounce failed
kernel: [   10.192773] usb 1-1: Failed to suspend device, error -71

Lo que también podría ayudar:

Veo que las líneas eléctricas de 3,3 V y 1,8 V tienen una señal cuadrada que es 400 mV más alta cuando se comunica GSM (la longitud cuadrada es 500-600 us, dV es 300-400 mV):Potencia de 1,8 V cuando GSM está activo

En el tablero tengo generadores de corriente continua:

  • 5V - MP2359
  • 4.1V-MP2359
  • 3,3 V y 1,8 V - PAM2306 (común)
  • 2,5 V-AP7115

Están cableados así:

18V input DC
 -----> 5V  -----> 3.3V ----> 2.5V 
            -----> 1.8V
 -----> 4.1V

El módem GSM funciona con 4,1 V, por lo que en realidad está separado de todo lo demás.

Estos picos (cuadrados) solo se presentan en 3.3V y 1.8V que está regulado por el mismo PAM2306. Ni en el 2.5V ni en el 5V tiene estos picos. Además, el 4.1V que en realidad es para GSM NO tiene estos picos tampoco. Hay un condensador de desacoplamiento de 100uF, 100nF, 33pF y 10pF en el riel de 4.1V.

Diseño de PAM2306 (en la parte superior derecha está el 1.8V en el lado derecho del inductor): tenga en cuenta que este diseño es el recomendado por la hoja de datos. Sin embargo, sé que esas líneas que circulan parecen extrañas. PAM2306

También intenté agregar un desacoplamiento de 100uF al riel de 3.3V, pero no ayudó.

Una cosa debería ser buena para saber aquí: ¿podrían estos picos causar la desconexión del USB?

ACTUALIZACIÓN1:

Retiré el módulo de alimentación PAM2306 y lo reemplacé con 2 MP2359 para 3.3V y 1.8V.

Ahora las placas parecen más estables, sin embargo el USB se desconecta después de conectar el GSM:

# pppd call gprs
... lot of pppd messages ...
pppd[2079]: primary DNS address a.b.c.d
pppd[2079]: secondary DNS address a.b.c.d
usb 1-1.1: USB disconnect, device number 3
smsc95xx 1-1.1:1.0 eth0: unregister 'smsc95xx' usb-20980000.usb-1.1, smsc95xx USB 2.0 Ethernet
smsc95xx 1-1.1:1.0 eth0: hardware isn't capable of remote wakeup

Entonces, como puede ver, después de obtener las direcciones IP de GPRS, el ETH de repente se da de baja. Después de cambiar esos módulos de potencia, el mensaje anterior "deshabilitado por concentrador" desapareció, por lo que la situación ahora es mejor pero no perfecta.

¿Qué recomendarías?

ACTUALIZAR2

Después de una hora sin intentar marcar GSM, el USB se desconectó del PI. Entonces, los rieles de alimentación no fueron la raíz de mis problemas.

Utiliza una computadora de aficionado de muy alta frecuencia para aplicaciones de juguetes y luego se pregunta por qué EMI es un problema.
Yo miraría la distribución de energía. El módem GSM consume pulsos de hasta 2 amperios cuando transmite. Si su PSU para el módem GSM es débil, los pulsos actuales podrían terminar en sus otros rieles de alimentación. Es difícil decirlo a partir de la información proporcionada. Intente agregar un par de tapas de baja esr cerca de los pines de alimentación del módem GSM. 1000uF más o menos.
Lo que tienes aquí es realmente extraño. Tendrá un voltaje de suministro más alto cuando un módulo consuma más corriente. (!?!) Es difícil de imaginar, por lo que tiene que haber algo más. ¿La conexión a tierra es lo suficientemente buena? Si sondeas los terrenos en diferentes puntos, ¿son iguales? Lo que ha mostrado se parece a una caída I * R para una corriente constante (¡solo el signo es incorrecto!). Quizás la puesta a tierra de la referencia de uno de los reguladores no sea lo suficientemente buena, y la corriente del módulo lo modula. Esta es mi mejor suposición, ya que dV es muy alto en la imagen. También miraría la medición de la forma de onda de suministro.
No hay mucho en el camino de la costura a tierra en ese convertidor de potencia y hay algunos bucles estúpidamente grandes, me fijaría en eso, especialmente si el resto de la placa también es así. Luego, el modo común se bloquea en las líneas del bus USB, pero sin MUCHO más detalles es difícil decirlo. También echaría un vistazo a su técnica de sonda de alcance, esos cables negros de 'tierra' de tres pulgadas son antenas en cualquier lugar mucho más de DC, y también puede ver una cantidad épica de rebote de tierra si la conexión a tierra pasa por un pequeño rastro en algún lugar ( El sondeo diferencial ayudará a ver si esto es un problema).
¿Cómo estás midiendo los rieles de alimentación? Su sonda también puede estar actuando como una antena y captando RF, si está cerca de los campos altos del módem GSM...
La potencia GSM se combina con 100uF y 100nF y 10pF y 33pF. Todos los demás rieles de alimentación también están acoplados como se indica en las hojas de datos. La sonda puede actuar como antena, sí, pero si no la mido con un alcance, la señal cuadrada también se puede ver en el LED.

Respuestas (1)

Este problema no tiene nada que ver con "EMI" en el sentido normal de la ingeniería eléctrica. Este es un problema con las fuentes de alimentación.

Según la hoja de datos M66 GSM , el módem necesita 1,6 A durante la fase de transmisión.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, según la hoja de datos MP2359 , la potencia de salida no supera los 1,2 A por canal. Por lo tanto, su fuente de alimentación está subestimada en un 50% para la corriente máxima de la aplicación (mientras que probablemente se alcance el promedio). Es probable que la caída interna en M66 haga que se desconecte del USB, y se necesita reiniciar completamente el módem para que vuelva a funcionar.

Para obtener algo de tracción, es posible que deba usar una ENORME capacitancia, tal vez 10-20 tapas de cerámica de 100 uF en paralelo en un riel de 4.1 V para aliviar el problema de las altas corrientes máximas.

PD: Me pregunto cuándo los carteles comenzarían a especificar enlaces a las hojas de datos para los componentes involucrados y, de hecho, comenzarían a leerlos antes de publicar preguntas.

Gracias, y perdón por no enlazar las hojas. Tengo una tapa de cerámica de 100uF en el 4.1V. Creo que MP2359 puede manejar este módem con este límite. En el osciloscopio puedo ver una línea recta nítida durante toda la operación GSM en el riel de 4.1V.
@Daniel, su fuente de alimentación recomendada (Figura 5) usa un capacitor de 470 uF. Lo que ves es realmente extraño, ya que incluso la hoja de datos (Figura 3) muestra Vdrop explícitamente. Intente reforzar el riel soldando un montón de tapas una encima de la otra. si el espacio es limitado.
Calculando la constante de tiempo RC para los 100 uF, se necesitarían alrededor de 256 us para vaciarse si los 4.1 V se detienen. El pico que mencionas aquí es de 577 us, pero como el 4.1V no se detiene, tardaría más en vaciarse. Por supuesto, no es ideal sin embargo. Lo que es más importante: el pico falso no está en los 4.1V, está en los rieles de 3.3V y 1.8V. Además, el módem funciona bien, no está conectado a través de USB, sino de serie. Solo el controlador Ethernet está conectado a través de USB y sigue desconectándose.
@Daniel, entonces necesitas contar un poco más sobre tu diseño. Paspberry Pi es un diseño propietario. ¿Estás incorporando RPi en alguna otra placa con M66, o qué? ¿Cómo lo conectas? Los baches en rieles no relacionados pueden indicar un problema de rebote en el suelo en su diseño.
@Daniel, con un límite de 100 uF y una corriente de carga de 1,6 A, el voltaje caería 1 V en 62 us. I = C * dV/dt. Caer por debajo de 3,3 V eliminaría la funcionalidad de M66, según la hoja de datos. Necesita comprobar su técnica de medición.
M66 funciona muy bien. Sólo los LAN9512 se comportan a veces de forma extraña. Y supongo que se debe a los golpes en su riel de alimentación (3.3V). Estoy usando el módulo de cómputo RPi y está colocado en una placa junto con M66 y LAN9512.
@Daniel, si el puerto del concentrador interno está deshabilitado por el propio concentrador, realmente significa que el puerto estaba "balbuceando", lo que podría deberse a alguna señalización no deseada. ¿Para qué es su suministro de 1.8V? ¿Está seguro de que está siguiendo la Figura 2-2 para el enrutamiento de energía LAN9512?
Se necesitan 1,8 V para el RPi. Sí, LAN9512 está cableado exactamente como en la Fig. 2-2. Intentaré cambiar los power rails 1.8 y 3.3.
Después de cambiar los rieles de alimentación (3.3 y 1.8), la línea 'emi' desaparece del registro del kernel, sin embargo, el USB sigue desconectándose después de un tiempo. ¡¡Bastante molesto!!
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