Es soll in diesem Thread um den Entwurf von Tischgeräten mit Metallgehäusen gehen. Ich habe mir viele Threads durchgelesen und bin nicht weniger verwirrt als vorher. Von Berufswegen entwickel ich Tischgeräte, welche in einem Metallgehäuse aufgebaut werden und mit einem Tischnetzteil (AC/DC) versorgt werden. Die Geräte haben analoge und digitale Eingänge über BNC-Buchsen. Die zugekauften Netzteile haben intern eine Verbindung vom pirmärseitigen Schutzleiter zur sekundärseitigen Masse. In den Geräten befinden sich 3 Leiterplatten die über Flachbandkabel miteinander verbunden sind: - Rückseiten-PCB mit USB- und BNC-Buchsen - Frontseiten-PCB mit Druckknöpfen, LEDs usw. - Hauptplatine mit µC, CPLD und diverser Peripherie Alle Leiterplatten sin Multilayer und haben einen Layer mit Massefläche welche auch mit den Befestigungslöchern verbunden sind. Kurz um: Gehäuse/Erde/Schirme und Masse ist bei diesen Geräten alles die gleiche Soße. Gab bisher noch nie Probleme. Nun hat einer unserer größeren Kunden zum EMV-Test geladen. War ganz toll :-) Bei der Störausstrahlung gab es jedenfalls keine Grenzwertüberschreitungen für Industrie und Laborgeräte. Bei der Störfestigkeit sah es da schon anders aus und darüber wollte ich mal schnacken: Störfestigkeit bei Burst: Bei diesem Test waren meine Geräte über USB mit einem PC verbunden und mit BNC-Leitungen untereinander. Zusätzlich war am PC noch eine Kamera über FireWire angeschlossen. Der Burst wurde über eine Koppelzange auf die FireWire-Leitung eingekoppelt. Bei diesem Test haben sich meine Geräte unzulässig verhalten. Das gleiche Fehlverhalten zeigte sich bei der leitungsgebundenen Bursteinstrahlung auf die Netzleitungen der Tischnetzteile. Kann mir das einer erklären? Störfestigkeit bei Netzteinbrüchen: Die Geräte dürfen zwar Aussetzer haben, müssen sich aber ohne Benutzereingriffe wieder in den vorherigen Zustand versetzen. Ich kann doch nicht 1000000000mF (Übertreibung) in die Geräte einsetzen um sie für 200ms am Leben zu halten oder einen USV dazu verkaufen. Sowas habe ich jedenfalls noch nie gesehen. Gibt es da Menschen mit Erfahrungen? Gibt es denn kein Standartentwurfsmuster für diese Geräteklasse? Eine goldene Grafik in der erkennbar ist, wo und wie die Gehäuseerdung, die BNC-Buchsen und Signalmassen bestenfalls miteinander verwurstelt werden? Ich sollte noch ergänzen, dass ich Industrieelektroniker gelernt und Technische Informatik studiert habe. In meinem beruflichem Umfeld gibt es und gab es noch nie einen "alten Hasen" der mit 1000 Jahren Berufserfahrung Generatioswissen weitergeben hätte können. Jedes mal das Rad neu zu erfinden ist ja auch keine Lösung. Also: "Hallo Hasi, hast du mal nen Tipp" :-D
Es ist ok, Gerätemasse und Gehäuse zu verbinden. Allerdings musst du wissen dass a) bei einem Störsignal zuerst die linke Ecke des Gehäuses, dann die rechte um die Störspannung springt, auch Strom braucht seine Zeit bis er da ist b) auch Ein- und Ausgänge mitspringen müssen, also über eine kleinen Kondensator an Masse abgestützt werden. Keine Leitung darf unabgestützt das Gehäuse verlassen. Bei dir sollte die Verbindung Masse/Gehäuse auf der Rückseite bei den Anschlüssen sein. Jede I/O und Versorgungsspanung sollte direkt dort gegen Masse gestützt sein. Von dort arbeitet sich die Schaltung über Flachbandkabel nach vorn, keine weitere Verbindung zum Gehäuse, kein I/O mehr. Damit kann bei einem Funken auf die Frontplatte schon ein Spannungssprung Front zu Displayplatinenmasse auftreten. Stört der, muss eine Abschirmung dazwischen.
Bie diesem Test geht es vermutlich um den Extremfall. Das Gerät soll ausfallen, aber danach wieder in einen definierten Zustand zurück kehren. Also bringen dich alle möglichen Filter, Kondensatoren und Abschirmungen nicht weiter. Der Burst wird einfach so stark gemacht, dass das Gerät trotzdem ausfällt, denn das ist der Sinn dieses Tests. Benutze eine automatische Selbst-Überwachung der Geräte. Im einfachsten Fall genügt dazu ein im µC integrierter Watchdog. Aberoft macht man das auch mit separaten Bauteilen, die aussschließlich der Überwachung dienen. Bei fehlfunktion wird das Gerät resettet. Danach lädt es den zuvor gespeicherten Zustand wieder zurück und macht einfach dort weiter, wo es vorher unterbrochen wurde. Mit Software, die auf Zustandsautomaten basiert, geht das relativ einfach. Voraussetzung ist natürlich, dass der Zustand in ausreichend kleinen Intervallen in einem zuverlässigen nicht flüchtigen Speicher persistiert wird und dass die Überwachungsschaltung selbst bei dem Burst nicht blockiert. Schau mal, wie das in Waschmaschinen gelöst wird. Alle mir bekannten Waschmaschinen recovern nach Stromausfall automatisch - selbst die rein mechanisch gesteuerten.
Wow, erstmal danke für die schnellen und guten Antworten. Die Signaleingänge sind mit 10pF genen Masse geschaltet (siehe Bild, analoge Eingangsschaltung auf der Hauptplatine. Die Digitale sieht ähnlich aus nur mit Schmidt-Triggern statt OPs). Das das Gerät resettet wird ist problematisch. Es gibt Motoren, deren Position beim Gerätestart mittels Hall-Sensor kalibriert wird. Bei einem kurzem Stromausfall des Motorcontrollers fehlt das Haltedrehmoment und er muss neu Kalibriert werden und das geht nur durch Benutzereingriff :-( AbsolutePositionssensoren sind keine Option. Ich schätze mal das in diesem Punkt die Definitionen mit unserem Kunden anders "interpretiert" werden müssen. Nur den µC für 200ms zu retten hilft ja im Gesammtsystem auch nicht weiter (Positionsverlust). Eine weitere Frage zu USB hätte ich aber auch noch: Laut def. soll der Client-Schirm nicht geerdet werden. Nun ist aber Bauartbedingt das Gehäuse einer USB-A Buchse aus Metall und wird auf der PCB verlötet. In meinem Fall wird also das Gehäuse der USB-Buchse an die Massefläche gelötet. Die USB-Buchse guckt duch eine Ausfräsung der Gehäuserückseite und hat also auch Erdkontakt (Layout im Bild). Nun habe ich als EMV-Maßnahme das USB-Gehäuse duch L||R||C von der allgemeinen Masse getrennt. Macht das überhaupt Sinn? Als Alternative könnte ich ja das Gehäuse der USB-Buchse nicht mit Masse verbinden und nur die USB-Versorgungmasse (Pin 4) über eine Ferritperle mit meiner Signalmasse verbinden. Dann wäre aber trotzdem der konstruktive Kontake durch das Gehäuse. Das mit den I/O Signalen finde ich gut. Ich würde also die Befestigungslöcher der Hauptplatine nicht mehr mit der Massefläche verbinden. Die Flachbankabelleitungen, die auf der Rückseite GNDIO heißen, werden auf der Hauptplatine direkt mit der Massefläche verbunden?
Daniel S. schrieb: > Gehäuse/Erde/Schirme und Masse ist bei diesen Geräten alles die gleiche > Soße. Gab bisher noch nie Probleme. Dann hast Du vermutlich nur sehr geringe Anforderungen an den Analogteil. Ich hab teilweise bis zu 4 Planes (Earth, DGND, AGND, PGND) auf den Platinen, die nur an einer Stelle über ein Net-Tie verbunden sind. Earth (Befestigungsbohrungen) ist nur auf der Backplane mit GND verbunden. Es kann also nirgends ein Erdstrom über die Signal-GNDs fließen. Analog und Digital sind über ADUM-Koppler und DCDCs galvanisch getrennt, damit keine GND-Querströme fließen können. Bisher hatten wir nur MCs (AVR, LPC) ohne OS in den Geräten. Die stecken kurze Spannungseinbrüche problemlos weg und gehen in den Einschaltzustand. Bei neuen Geräten ist aber ein Linux geplant, da bin ich schon gespannt, wie sich das verhält. Im Gespräch sind Read-Only-Filesystem und Stützbatterie.
Die Potentiale zu trennen hatte ich schon überlegt aber verworfen, da zum Beispiel mein DAC (SPI-Interface) schon gar nicht zwischen AGND und DGND unterscheidet. Er hat nur eine Masse. Bin da auch ein bischen schisserich jetzt komplett neu zu designen obwohl ich die Idee, auf 6-Lagen zu erweitern (Signal, VCC, AGND, PE, DGNG, Signal (Reihenfolge?)) nicht schlecht finde. Bei den BNC-Eingängen habe ich das aber immer noch nicht kapiert: Auf der Rückseiten-PCB hätte ich 4-Layer (Signal, GNDIO, GND, Signal). GNDIO ist mit den Befestigungslöchern (Gehäuse) und den BNC-Schrimen verbunden. Von dem Flachbandkabel kommt VCC (3,3V) von der Hauptplatine und betriebt die VCC-IO des USB-Treibers (FT2232D VCCIOB, VCCIOB) welcher GND als Bezug auch vom FBK bekommt. Ich würde also auch GNDIO über das FBK auf die Hauptplatine legen. Schließe ich diese dann an PE der Hauptplatine an? Dann würden die Signalabschlusswiderstände (Bild aus Posting von 11:44) auch gegen PE laufen? Der Analogteil muss nicht sonderlich schnell (bis 50kHz) aber präzise sein (12Bit DAC werden bis zu 5V erzeugt) und sich nicht durch steile Digitalsignale oder Restwelligkeiten von DC/DC-Wandlern stören lassen.
Daniel S. schrieb: > Bei einem > kurzem Stromausfall des Motorcontrollers fehlt das Haltedrehmoment und > er muss neu Kalibriert werden und das geht nur durch Benutzereingriff > :-( Unsere Geräte gehen bei Stromausfall auch in einen sicheren Zustand und müssen vom Benutzer wieder gestartet werden. Wenn der Benutzer das nicht will, muß er sie über eine USV speisen. Da wir Vakuum-Systeme herstellen, müssen dann auch die Pumpen an der USV hängen.
Peter D. schrieb: > Daniel S. schrieb: >> Bei einem >> kurzem Stromausfall des Motorcontrollers fehlt das Haltedrehmoment und >> er muss neu Kalibriert werden und das geht nur durch Benutzereingriff >> :-( > > Unsere Geräte gehen bei Stromausfall auch in einen sicheren Zustand und > müssen vom Benutzer wieder gestartet werden. > Wenn der Benutzer das nicht will, muß er sie über eine USV speisen. Da > wir Vakuum-Systeme herstellen, müssen dann auch die Pumpen an der USV > hängen. Das mit dem USV hatten wir scherzhaft überlegt, aber es scheint mir für unsere Systeme mit Motoren mittlerweile als die einzige Lösung. Son Ding kost ja nix. Trotzdem muss man dann noch die 20ms überbrücken, die die USV braucht.
Das Problem sind weniger kleine Controller, denn die brauchen wenig Strom. Bursts kriegt man mit Caps gegen Erde grad am geerdeten Gehaeuse weg. Die Burstamplitude wird nicht bis zum Fehler erhoeht, sondern nur auf einen festen Wert von zB 4kV. Diese 4kV toenen nach viel, sind es aber nicht. Denn diese 4kV kommen von einem Cap von ein paar pF welche mit dem Ableit-cap einen spannunsgteiler bilden. Wenn das Capverhaeltnis 1:1000 bertaegt, wird die Burst Spannung auch um den Faktor 1000 verringert. Ich mach da fuer DC, resp langsame Signalkabel, wie Thermofuehler, 100nF hin. Aber eben grad ans Gehaeuse. Auch schon 3cm Draht dazwischwen sind zuviel ! Schnellere Signale wollen weniger Caps, also nimmt man ein Pi-filter mit der passenden Bandbreite. Das Gehaeuse sollte daher leitend sein. Ein eloxiertes Alu ist es nicht. Es gibt durchsichtig chromatiertes Alu, das hat anstelle eine Oxidschicht eine mikrometerdicke Schicht von irgendwas, die eben auf das alu leitend ist, ohne die alufarbe zu veraendern.
Wenn ich mir nun einen Multilayer (Signal, VCC, AGND, PE, DGNG, Signal) baue, stört dann nicht die PE-Fläche auf der Hauptplatine wenn sie mit GNDIO der Rückseite berbunden ist?
Daniel S. schrieb: > Wenn ich mir nun einen Multilayer (Signal, VCC, AGND, PE, DGNG, Signal) > baue, stört dann nicht die PE-Fläche auf der Hauptplatine wenn sie mit > GNDIO der Rückseite berbunden ist? Dieser Aufbau ist vollkommener Unsinn. Denn die PE-Lage wird mit dem ganzen EMV-Dreck der Aussenwelt in die anderen Lagen einkoppeln. Sie muss nicht mal irgendwie "verbunden" sein. Und auch AGND und DGND in 2 Lagen zu trennen ist wie sich Sand ins Auge streuen. Du brauchst stattdessen ein vernünftiges Masse-, Versorgungs- udn EVM-Konzept. Und das geht nur, wenn man die Grundlagen der Problematik kennt: Stromkreise. Jeder Stromkreis muss geschlossen werden können. Nach Möglichkeit ohne eine große Schleife zu bilden. Und ein Stromkreis ist eben noch nicht geschlossen, wenn der Strom von der Vcc-Lage in die Masse-Lage geflossen ist. Sodner erst, wenn er von dort einen Weg zurück zu seinem Stratpunkt gefunden hat.
Da bin ich voll bei dir. Ich habe bisher immer eine Fläche nur für Masse verwendet. Mich verwirrt diese Auftrennerrei total. Gibt es einen Idealfall wie man Gehäusemasse und Signalmassen miteinander verbindet? Also mehrere Leiterplatten in einem abgeschirmten Gehäuse verbindet? Die Unterteilung in Rückseiten- Haupt- und Vorderseitenplatine ist ja sehr gängig. Das man die Masseflächen an den Befestigungslöchern mit dem Gehäuse verbindet, habe ich schon bei vielen Geräten gesehen. Probleme gab es auch beim ESD-Beschuss. Zum Beispiel ist ein Digitaleingang (wie in oben gezeigter Schaltung) an einen Interruptpin des µCs geführt. In der ISR wird dann toller Code ausgeführt. Wenn das Gerät mit einer ESD-Pistole beschossen wird, startet die ISR. Die verkleinerung des internen Abschlusswiderstandes auf 1k hat nicht geholfen. Beim ESD-Beschuss auf mein Gerät stürzten die USB-Ports des PCs ab und er musste neu gestartet werden um mein Gerät wieder zu erkennen. Kann das daran liegen, das ich das USB-Buchsengehäuse mit meiner Masse/PE-Fläche verbunden habe? USB-Clients sollen ja nicht geerdet werden.
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Daniel S. schrieb: > Gibt es einen Idealfall wie man Gehäusemasse und Signalmassen > miteinander verbindet? Wurde doch schon geschrieben: An einer Stelle, dort, wo zwangsweise die Eingänge schon eine Verbindung erfordern, möglichst als Sternpunkt oder zumindest nicht zu lange massive Verbindungslinie, und jeder Eingang stützt sich zu diesem Punkt hin niederinduktiv kapazitiv ab. Falls man also einen Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite hat: Im Gehäuse zurück führen und direkt neben den Eingängen durchs Gehäuse führen - mit besagtem Stützkondensator zum Sternpunkt.
> Probleme gab es auch beim ESD-Beschuss. Zum Beispiel ist ein
Digitaleingang (wie in oben gezeigter Schaltung) an einen Interruptpin
des µCs geführt. ... internen Abschlusswiderstandes auf 1k hat ...
Die Schaltung ist ja interessant, aber .. nicht wirklich ueberlegt. Wo
(auf dem Print) ist die Schaltung ?
Der Eingang muss natuerlich so geschuetzt sein, dass sich am Pin nichts
tut auch wenn die Welt einstuerzt.
Das Stoersignal kommt von Aussen und muss auch moeglichst da abgeleitet
werden, nicht wenn es schon am Pin ist. Daher sollte man solche
Schaltplaene auch so zeichen, wie das Layout dann sein wird. Weil eben
Vcc nicht Vcc und GND nicht GND bleibt. Der Stecker(Buchse) muss grad am
Gehaeuse sein, der Schutz muss grad am Stecker sein. Die 10pF sind
zuwenig, denn so schnell ist das Signal nicht, wenn es auf einem Opamp
gehen kann.
Bescreib doch mal was fuer ein Signal woher kommt, dann koennen wir auch
empfehlen wie es zu schuetzen ist. Bei Analogsignalen waere eine
differentielle Leitungsfuehrung zu bevorzugen. Bei digitalen Signalen
eigentlich auch.
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nur ein kleiner Tip, weil ichs grad vor mir habe: Henry Ott, beschreibt das ganze meiner Meinung nach ziemlich gut, oder anders, das beste und verständlichste was ich bisher darüber gefunden habe: http://www.hottconsultants.com/ sein neuestes Buch sollte auf knapp 1000 Seiten alles erschlagen und zu digital analog GND gestern noch den analog dialogue: http://www.analog.com/library/analogDialogue/Anniversary/12.html Und ich kann mich nur der MEinung anschließen, Strom ist immer ein Kreislauf, also immer schauen, wo der Strom hinmuss und da eben Strompfade planen die in den entscheidenden Frenquenzen sehr geringe Impedanzen besitzen.
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Oder D. schrieb: > Die Schaltung ist ja interessant, aber .. nicht wirklich ueberlegt. Wo > (auf dem Print) ist die Schaltung ? Dieser Schaltungsteil liegt auf der Hauptplatine :-( (ja, nun merke ich was) Die Abschlusswiderstände und TVS-Dioden auf die Rückseitenplatine zu PE. Über das FBK die Rückleiter mitlegen (Bild). Kann noch jemand ein Statement zum Thema USB-Client sagen? Also Schirm anschließen oder nicht.
USB Schirm ... dh das Gehaeuse. Ich wurds mindestens mit einem Cap HF maessig auf GND Legen, und allenfalls mit antiparallelen Dioden fixieren. Muesst man sich aber genau ueberlegen. Also per Jumper noch auf GND. Dann die Fehlerfaelle durchspielen. Wenn nun eine Entladung auf den Schirm kommt ... wie fliesst der Strom .. Die Entladung speist den Strom von, nach ...
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usb2.JPG
110 KB
Wie hier beschrieben (http://www.ti.com/sc/docs/apps/msp/intrface/usb/emitest.pdf) wird der USB-Schirm also angeschlossen. Sollte aber weit weg von sensibelen Schaltungsteilen plaziert sein. Dann ist die im oben gezeigtem Layout Idee doch goldrichtig: Das USB-Gehäuse über R||C||L an die Rückseitenmasse und Gehäusemasse anzuschließen. Die V-Bus wird über eine PI-Filter geleitet (lässt sich im Layout erahnen wo der sitzt)
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