Моя проблема ЭМС, Вопрос к гуру! Опции

[Firer]

Приветствую специалистов!
Столкнулся первый раз, прошу подсказок.
Опыт проектирования электронных плат управления более 5 лет, но столкнулся с проблемой ЭМС серьезно только сейчас:
Электрошкаф. Металлический корпус ширина 2м, высота 2м глубина около 80см.
В разных частях корпуса стоят:
- насос 220в (мощность менее 1кВт)
- датчики концевики разные
- пара разъемов Dallas iButton
- с десяток ЭМ клапанов =24в
- пара датчиков давления 5..20мА
Электрика 220в устанавливается в отдельном металл. ящике внутри изделия. К ней подводится 220в. Внутри УЗО, автоматы.
В другом ящике металл.(самое интересное) устанавливается:
- бесперебойник обычный бытовой около 500Вт
- блоки питания импульсные 24в, 12в (каждый 200Вт) - наподобие Meanwell
- плата процессорная (спроектирована мною) ядро STM32F217.

В отдельном ящике к которому идет кабель около 2м установлены:
- Дисплей OLED алфавитно-цифровой 4 строки 20 символов
- клавиатура матрица 4*4

На реальном оборудовании в течение суток все зависает по неизвесным причинам в случайное время на разных точках. (если без ватчдога в прошивке - или перезагружается если с ватчдогом).
Хочу докопаться до истины.
Доп.инфо:

плата процессорная - питание на процессор формируется так:
сначала Buck LM2673 до 5в. Затем линейный стабилизатор до 3.3в.

плата разведена с землями и сверху и снизу. Но трассы земель с одного разъема внешних устройств на другой могут проходить через землю процессора, т.е. две земли не отделены четко.

1. Соединение общего провода (- блоков питания) с шасси корпуса сделал в блоке рядом с блоком питания. Несколько уменьшило частоту зависания.
2. Дисплей и клавиатуру вешал на короткие кабели прямо рядом с платой. Проблема зависаний не исчезла. Это как понимаю наиболее проблемные линии так как напрямую от процессора наружу идут.

Куда копать еще?

[Firer]

Уважаемые профессионалы, благодарю за подсказки!!
Подозревать в ограниченных умственных способностях - это именно взгляд со стороны, иногда зарабатываешься и что-то забываешь.
Но не в моем случае. Забыл сообщить.
Плата с дисплеем, клавиатурой и частью датчиков работает на столе 3 дня (дольше не оставлял) все четко - лаб.блок питания и вне корпуса.
Софт написан на FreeRTOS сегодня получил 5-суточный лог отладки - никакие задачи стек не переполняют, т.е. я с вероятностью 99% отсек - это не проблема ПО.
Уже месяц как проделывались разные тесты.
В том числе - отключение по очереди каждого разъема и оставление на прогон.
Без разъемов все работает, с одним подключенным разъемом каждым работает, но при подключенных 2-3 из этих же начинает подвисать.
Подвисание происходит не в какой-то конкретный момент например включения какого-то клапана - давно бы отловил. Зависает даже просто так!
АК - похоже вы правы, не под фонарем. Вашу ссылку про EMC_immunity прочитал 1-го января и стал осознавать.
Не выкладывал схемы потому что не хотел грузить всех здесь лишней информацией - и так своих проектов наверняка хватает.
Переразвести плату сейчас проблемно т.к. сотню первых придется выбросить.
Почему скажете первую не протестировал? Смешно. Первую протестировал. И на первом образце аппарата она отлично работала. Первый образец аппарата просто не покрашен был
Т.е. стараюсь найти решение без переразводки платы.
Проброска толстых проводов поверх всех разъемов может помочь?
В принципе все земли периферии из разъемов могу вытащить и соединить сразу на клемму блока питания или платы (где питание приходит).

Но судя по прочтенному файлу, пикосекундные импульсы могут проскакивать не через землю, а и через входы которые не должным образом сделаны (например прямые линии от процессора к OLED и клавиатуре).

Прилагаю разводу платы. Пожалуйста критикуйте. "Переделать все заново" - это я и сам теперь могу сказать. С возможностью эту плату как-то перетрясти.
XT8 - ввод питания (+12, +24в)
XT18 - датчики 5..20мА
XT19 - концевики
XT16 - iButton
XT15 - ЭМ клапаны =24в
XT2 - ЖКИ/OLED
XT5 - на силовую плату (там реле электромагнитные)
Это все из текущих подключений.

И фото прилагаю. Видно щиток с платой. Под ней стоят блоки питания.
Сверху ящик с клавиатурой дисплеем.
Снизу - насос.

Спасибо за любые комментарии!!

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 emc_problem_pcb.pdf ( 608.66 килобайт ) Кол-во скачиваний: 400

 

[Dog Pawlowa]

Но судя по прочтенному файлу, пикосекундные импульсы могут проскакивать не через землю, а и через входы которые не должным образом сделаны (например прямые линии от процессора к OLED и клавиатуре).

Именно!
Самое время начать переделывать всё.
Раньше начнете - быстрее получите результат.
Аминь.

[MaxPIC]

Кроме разводки (её на мой взгляд необходимо переделывать), я посоветовал бы пересмотреть и разъёмы. Например, для XT15, на мой взгляд, получается явный перебор количества транзисторов VT5...VT8, коммутирующих через разъём силовые сигналы, с количеством проводов, по которым потекут коммутируемые транзисторами обратные токи.

В качестве рекомендации посоветую как можно больше выжить из этой платы полезной информации. Если необходимо, режьте земли, паяйте проводки и пр.

И ещё. Я рекомендовал бы Вам сделать следующее: перепаять все пары конденсаторов, подсоединенных к резонаторам ZQ1, ZQ2, ZQ3 (получается 6 конденсаторов) и конденсатор на NRST (по-моему, C1). Необходимо поставить конденсаторы вертикально, припаяв к контактной площадке, которая электрически соединена с резонатором и выводом микроконтроллера одновременно. Верхние контакты каждой пары конденсаторов объединить между собой проволочкой и припаять либо максимально близко к ближайшему выводу земли микроконтроллера, либо непосредственно на сам ближайший вывод земли микроконтроллера (второй вариант наилучший). Возможно, эта мера позволит уменьшить частоту сбоев.

[_4afc_]

Кстати ZQ2 лучше, как в старину, ставить на непроводящую прокладочку толщиной 1-2мм. Они чувствительны к ёмкости между их днищем и платой. Поэтому не рекомендуется заливать под ними землю или водить сигналы. Ну п пока не научитесь их правельно разводить - на прокладку, как в СССР и военке.

Линейный стабилизатор не защищает от помех - это типичная ошибка. Всё что выше нескольких мегагерц - проскочит сквозь него.
От импульсов защищают бусинки/BLM проходные конденсаторы и другие EMI фильтры.
Кстати, у вас между MPw4 и U6 нет фильтра и все помехи от импульсного стабилизатора летят наружу через MPw4 с частотой его работы - которая зависит от нагрузки на плату.

Блоки питания микроконтроллеров должны при включении обеспечивать требуемое даташитом наростание напряжения (это в основном при включении важно).

Вам повезло, что крепёж платы не соединён с землёй - а то мы у всей партии режем - то ещё удовольствие.

Проброска толстых проводов поверх всех разъемов может помочь?

Нет. Несовсем. Улучшит ровно настолько - насколько их сопротивление меньше вашей заливки платы. И даже ухудшит если эти провода пройдут над кварцем или МК.
В идеале земля должна приходить на плату в одной точке, там где наисильнейший токообмен, например рядом с питанием. Остальные нужно убирать с платы (продумывая последствия) или ставить на них ВЧ фильтры.

В принципе все земли периферии из разъемов могу вытащить и соединить сразу на клемму блока питания или платы (где питание приходит).

Помогает?

То же что и 1 - с антенной GSM модуля. Т.к. разъем SMA его внешняя часть она гальванически контактирует с пластиной куда привинчивается. Тоже его на изолятор ставить? Чтобы грязные токи не шли по оплетке коакс.кабеля между местом где антенна привинчена и местом где второй разъем SMA стоит вводит сигнал в плату?

В подобных случаях вы всегда можете разорвать землю ВЧ сигнала (хоть платкой на кабель) и соеденить разрыв через кондёр в несколько пФ. Напряжение выбирать изходя из напряжения помехи - поставите на 630В - сможете в антенну в сеть врубать

Какие барьеры ставить на 2-направленные выходы типа iButton или ЖКИ? Просто резисторами не обойтись. TVS? Какие ходовые малогабаритные кто предложит? Не могу найти какие купить.

Проходные конденсаторы типа NFM18, TVS как я понимаю - не успеют и нужны для ограничения уровня помехи.

1. На корпусе аппарата стоят два разъема iButton. У них конструктивная особенность - корпус разъема это есть "-" его, т.е. гальванически связан.

Рвите свою гальванику где только можете:
- если сигнал низкочастотный и уровневый - индуктивностью с допустимым для работы сопротивлением,
- если без НЧ составляющей - конденсатором на соответствующие напряжение и частоту.


А кстати - что вы там красите чтоб не работало - плату? И чем?

[alexPec]

Внесу свои 5 копеек.

На промоборудовании для меня железное правило - платы только 4-х слойные, 2 слоя земля и питание обязательно. Наелся с этим сам. Много глюков ушло сразу при переходе с 2-х слойной на 4-х слойную.

Как вариант проверки силовых шкафов на эмс - делал тестовую программку которая одновременно щелкает с частотой 1..2-5 гц всеми индуктивными нагрузками: клапанами, пускателями, реле и т.д. У меня глюки если были, то проявлялись в таком методе в течении минуты максимум (зависание). Если в течении минуты все щелкало и не зависало - то шкаф и на месте работал нормально. Исключений не было.

Ну и (хотя для вас наверно не вариант) - использую NEC (ныне renesas) процессоры - железные независаемые. Внутренние шины сделаны с избыточностью и коррекцией ошибок, как и внутренняя флешь. За 4 года ни одного случая зависания.

[shf_05]

если сбои не из-за самого железа типа перегревается, память битая и т.п., то
погуглите шнайдер-электрик ЭМС, там разводка шкафов описана хорошо.

из опыта-
все фокусы с землями-проводами-жгутами имхо не помогут- как то два года! возились с подобным проектом, пока я не разругался с начальником, не переделали все платы под 4 слоя, половину выводов разъемов отвели под землю, не переуложили все жгуты и каждый "ящик" заземляли проволокой на шину внизу шкафа, дверцы и стены шкафа с гайкой-прорезайкой тоже каждый своим проводом (если у Вас не какой нибудь специальный шкаф с предусмотренным ЭМС типа Шрофф или Риталл - там все это уже сделано) все на шину.

и еще: не скупитесь на ферритовые кольца на интерфейсные кабели.

кстати последнее очень даже может помочь в вашем случае- попробуйте приобрести фильтры ферритовые ЭМС для кабелей или на худой конец соедините 5-6 колец М2000 диаметра "чтоб провода влезли" в "трубу", смотайте изолентой или скрепите стяжками для проводов и намотайте 5-10 витков интерфейсного кабеля вблизи с ящиком процессора.