Часто можно услышать, и не только начинающие, но также электронщики на работе, рассказывают что, самоделка/образец была собран(а) без ошибок строго по чертежу, сам чертеж и расчеты тоже не содержат никаких ошибок, но все вообще не действует, как они того ожидали. Случается, что компоненты выходят из строя без ясной и понятной причины.
В 99% случаев ответ такой: плохая топология проводки или плохая маршрутизация печатной платы. Ещё многие не признают, что правила трассировки плат / проводки касаются не только грамотных и требовательных «художников электроники», но также любого любителя, который хочет получить надежный результат. Особенно в таких ситуациях:
- Высокие частоты (даже только с несколькими МГц)
- Высокие усилительные факторы (риск нестабильности)
- Резкие падение тока, как например в цепах управления двигателей, катушек, реле, мощных ШИМ, и даже если частоты тактирования очень низкие. (риск разрушения микросхем, транзисторов и т.д.)
Эффект №1 — Индуктивность проводок / дорожек
Люди слишком часто забывают что, проводы не ведут себя как идеальные проводы на рисунках схем. И здесь мы не говорим о сопротивлениях. Мы говорим об индуктивности!
Даже крепкие проводы с большим диаметром, или широкие дорожки на платах, имеют индуктивность, которая составляет более менее 10нГ за сантиметр длины:
10нГ, это мало. Тем не менее, это значит что, например если ток 5А резко отключится, так быстро что, падение до нуля занимает 1 мкс, провод или дорожка длиной 20см покажет печок 1-ого вольта. И 1 мкс это не так быстро, если мы говорим о переключениях с транзисторами. Это часто может быть ещё быстрее! Печок будет узкий, но реально будет, с низким импедансом. Это не будет просто помеха почти не заметная, но скачивание напряжения, которое будет действовать на элементы цепи.
Чтобы обойти такие эффекты, печатные платы содержат заземляющую плоскость. Здесь нужно заметить что, даже стрипборды для домашних самоделок могут быть дополнены заземляющей плоскостью:
Заземляющая плоскость, это большое пространство без резки. Поэтому, импеданс между двумя точками очень низкий, потому что плоскость поступает как, проще говоря, бесконечное количество маленьких катушек и резисторов расположенных параллельно и в обоих направлениях.
Все современные схемы и микросхемы используют землю как общий нулевой уровень для всех сигналов. Поэтому, можно легко обойти проблему индуктивности дорожек питания +:
Эти четыре прямоугольника обозначают части схемы или микросхемы, или любые компоненты, который потребляют от питания и могут генерировать или принимать сигналы.
Развязывающие конденсаторы между VDD и «земля» действительно обеспечивают пиковые токи и поглощают ток при падения потребления блоков так что индуцированные напряжения в дорожках питания сильно снижаются.
Даже если маленькие колебания или непериодические печоки еще существуют на VDD, они остаются в норме, и все земли/GND остаются на тут же в одном нулевом уровне. Маломощные сигналы могут бегать между блоками без проблемы смещения земель:
Эта топология распределения плюсового питания называется «звездная проводка/трассировка». Каждый блок получает шум на VDD, который он сам провоцирует.
Конечно, конденсаторы правильно выполняют свою роль, если мы обойдем такие глупости:
(Я даже видел профессиональных разработчиков, которые не понимали почему в правом рисунке есть проблема. Тем не менее, ситуация ещё хуже, чем слева!)
Иногда это невозможно соблюдать эту топологию, и питание блоков распространено по топологии «каскадная проводка/трассировка»:
Развязывающие конденсаторы могут правильно выполнять свой роль, если мы соблюдаем несколько мер:
1 - Не думайте что, самый чувствительный блок должен быть первый! Самый шумный блок должен быть первый, в любом случае мы не обойдём шум, который он провоцирует на линии, и так, если он первый, будет самая маленькая индуктивность между главным VDD и шумным блоком. Значит меньше колебания. Кроме этого, мы даже сможем эксплуатировать факт что, последовательные шаги L-C поступают как фильтры нижних частот для следующих малошумных блоков. (Напоминаю что, спектр импульса шириной 1мкс распространяется на несколько МГц, даже если происходит один импульс за секунду).
2 - Если это первый блок реально генерирует огромные колебания на питании (мощный ШИМ, УЗ или РЧ) можно нарочно добавить реальную индуктивность как фильтр, особенно для этого блока:
Эта практика добавления фильтра даже может действовать в топологии «звездная проводка/трассировка». Но здесь (каскад) такой фильтр требуется ещё больше.
Если наша топология каскада правильно создана, обмен сигналов тоже происходит нормально:
Маленькое замечание об отдельных заземляющих плоскостях: Иногда специалисты по аудио советуют использовать отдельные заземляющие плоскости для разных цепов (аналоговой и цифровой, или пред-усилитель и усилитель): Это имеет смысл только если питания блоков вообще независимые, включая минусы/земли. Один пункт соединения плоскостей ТОЛЬКО служит как путь возвращения тока сигналов! Иначе это огромная глупость.
А что случится, если нет заземляющей плоскости? Неудача!
Так мы даже не сможем придумать какую-то запасную меру. Колебания или непериодические скачивания между разными землями (если возможно ещё назвать их так) вообще не под контролем. Один блок может принимать, относительно с своей «земли» какой-то сигнал, который составляет уровень шума выше, чем уровень полезного сигнала. Искаженный сигнал может даже превышать границы диапазона входа и разрушить компоненты. Если частота резких перепадов тока от шумного блока — низкая или перепад не периодичный, ощущение будет что всё нормально на осциллографе в режиме «Auto»… но что какая-то магия препятствует цепи работать нормально. Одна микросхема может тоже быть «непослушная» и уничтожать себя после какого-то срока работы. Даже в профессиональной среде я уже видел людей, которые решали что, такую микросхему нужно периодично заменять и всё!
А что делать, если невозможно использовать заземляющую плоскость? Например, если нам нужно создать проводку без платы?
Если, в этом случае, мы не сможем гарантировать однородную землю, будет лучше использовать звездную проводку. Каждый блок получает только шум, что он сам генерирует:
Конечно, в такой ситуаций, нельзя мечтать по обмене сигналов относительно какой-то земли. Поэтому, оборудования, которые содержат разные блоки питания, приводы, реле, датчики, цифровые блоки управления, не используют это способ передачи данных.
Исключение: Малошумные датчики, которые получают свой питание только от блока куда датчик отправляет данные (аналоговые или цифровые). Ведущий блок может даже сам создавать фильтрованное питание для датчика.
Малошумный блок не создаёт значительное индуцированное напряжение на линии. Чтобы ещё улучить систему можно использовать дифференциальный сигнал:
Датчик создаёт 2 сигнала: V1 и V2, таким образом, чтобы значение полезного сигнала было равно V(t) = V1(t) - V2(t). Если происходит смещение земли, V1(t) — V2(t) не меняется.
Самый известный контекст на заводе: станки с ЧПУ, где приводы серводвигателей, приводы шпинделя, датчики положения, блок питания, реле, ЧПУ, генерируют огромную помеху и обменяют данные.
Конечно, для всех обменов сигналов между главными блоками обязательно использовать хотя бы метод дифференциальных сигналов в качестве минимальной меры предосторожности. Иначе шины данных могут использовать оптические фибры, цифровые шины через связь по переменному току с фильтрами и компонентами защиты (как Ethernet, GMSL, и.т.д.).
Эффект №2 — неожиданная емкостная связь между дорожками/проводами.
Мы все заем символ конденсатора: Две параллельные плиты с маленьким зазором
Но если наши прямоугольные плиты станут узкими и длинными, они станут… двум параллельными проводами!
Поэтому, пора рассказать реальную историю промышленного стенда тестирования, которая произошла когда я ещё работал во Франции. Была простая связь RS232 между устройством и компьютером. Условия даже не были сложные: Не были значительные источники шума. Но несколько лет рекомендации использования оставались такие:
- Нельзя включать питание устройства, если порт RS232 ещё не подключен на ПК. Иначе устройство мгновенно выйдет из строя.
- После какого-то срока эксплуатации, нужно будет заменить микросхему интерфейса RS232 (обычный MAX232)
Не знаю какое ощущение у вас, но я думаю: Как разработчики этого стенда не чувствовали стыда писать такие рекомендации!
Теперь я раскрою тайну: познакомьтесь с этом ужасом:
Я не преувеличивал, когда я рисовал это клубок проводов на картинке. Это именно то что они сделали, когда увидели что, что оставалась ещё слишком большая длинна провода. Больше чем 50см проводов(без какого-то экранирования) были так крепко переплетены.
Конденсаторы импульсного блока питания «C» потребляли ударный ток при включения. И катушки ограничения ударного тока «L» создали большое индуцированное напряжение при отключении. Это неизбежно с импульсными блоками питания. Было даже возможно слышать шум искр в дешёвом переключателе. Вероятно амплитуда импульсов была примерно 2000в при отключении.
Это они не могли поменять, но они не были обязаны строить уничтожитель микросхем MAX232. И глупость этим не ограничилась потому, что они даже не довели диагноз до фактического доказательства. (Там в группе был даже инженер РЧ !).
По опыту, мы можем оценить ёмкость клубка на 200пФ минимум. Когда напряжение импульса растёт до 2000в на 1мкс (там нет преувеличения), ток «зарядки» клубка равен:
I = C.du/dt = 200.10E-12 * 2000 / 10E-6 = 0,4A через выводы сигналов MAX232! Уничтожение мгновенное, даже если ток продолжается только на 1мкс!
Теперь догадка: Почему MAX232 жил дольше, если порт устройства был подключен на компьютер? Просто потому, что платы компьютеров правильно разработаны, с внутренними компонентами защиты, которые поглощают импульсы. Думаю что им не получилось разрушить компьютер! Но, даже если на стороне ПК импульсы были отсечены, импеданс индуктивности длинных проводов был достаточно большим, чтобы на стороне MAX232, ёмкостная связь могла уже создать вредные (но ослабленные) импульсы. Поэтому жизнь MAX232 была короткая, даже если она закончилась после какого-то срока эксплуатации.
Один пример часто объясняет всё. Теперь понятно почему:
- Чувствительные линии создаются экранированными проводами (соседние шумные проводы могут создать ёмкостную связь только с землей)
- На печатных платах, «острова» меда, соединенные на заземляющей плоскости, иногда находятся между дорожками. Даже если дорожки, не линии ВЧ. Принцип такой-же.
- Когда возможно просто соблюдать большую дистанцию между проводами, это самый простой метод, конечно. Тем не менее, нельзя создавать большие петли. Индуктивность петель гораздо выше, чем индуктивность прямых проводов!
- Если условия препятствуют соблюдать эти меры, элементы зашиты устройств должный быть очень крепкие и эффективны. Искажение сигналов не должно провоцировать значительные функциональные проблемы.
Последний случай в известном контексте: автомобиль.
Длинные и толстые жгуты проводов проходят повсюду. Проводы вообще не экранированы. Заземление к кузову ненадежное, длинные проводы соединяют все потенциалы «минус». Переключение больших токов происходит. И кроме дифференциальной шины CAN, каждый электронный блок принимает все сигналы относительно своего «минуса». Но автомобили работают. Почему?
Потому что, каждый электронный элемент или блок управления, датчик или другой, должен выдержать испытания, которые большинство людей даже не в силах придумать:
- Импульсы до +/-100в прямо инжектированы в проводах питания (через 50 Ом или меньше).
- Огромные импульсы и токи РЧ инжектированы во всех проводах через ёмкостные связи. (Принцип тут же, как в нашем уничтожителе MAX232)
- Электростатический разрядки до 25кв на всех доступных пунктах
- Устройства должны работать и нормально «общаться» между ними при смещении их «минуса» до +/-3в (постоянное смещение).
- Устройства должны работать нормально при очень нестабильном напряжения питания.
- Устройства должны работать нормально, когда функциональное испытание пройдёт в клетке Фарадея, где антенны излучают радиоволны такой мощности, что оператор вообще не должен находится там.
Вероятно военное оборудование выдерживает условия ещё более жёсткие.
В конце концов маленькое упражнение!
Честно говоря, упражнение не сложное. Вопрос такой:
- Какое из этих устройств — уничтожитель микроконтроллера? А или В?
- Какое из этих устройств — блок управление электромагнита с светодиодом? А или В?
(Уничтожитель микроконтроллера нарушает все рекомендации)
Если вам не скучно, пишите не только ответы, но все нарушения, которые вы заметили в уничтожителе МК!
Я вам дам маленькую дополнительную информацию. Тем не менее, и без этой информации можно найти ответ. Но она может прояснить дополнительные риски, которые могут угрожать микроконтроллер: Вот что реально полевой транзистор, который послушные школьники описывают как «транзистор, который ничего не потребляет на затворе»…