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 коллеги! Всем громадное спасибо за советы, что не пожалели время.
Закончены предварительные испытания.

Зависать все перестало.

Что было сделано:
1.На обратную сторону платы были напаяны толстые провода шунтирующие землю от каждого из внешних разъемов - к разъему ввода питания. Сечение около 1мм2.
2.На линии разъемов ЖКИ, клавиатуры (то что заводилось напрямую на ноги STM32F217 без всяких буферов) были напаяны TVS-диоды ESD5Z5.0T1G (мелкие заразы!)
3.На кабели разъемов ЖКИ, клавиатуры были повешаны ферритовые трансфлюкторы типа таких
http://www.chipdip.ru/product/k1nfr-08/

Сейчас буду по частям отрезать все доработки чтобы найти конкретно что существенно улучшило ситуацию.

[shf_05]

Сейчас буду по частям отрезать все доработки чтобы найти конкретно что существенно улучшило ситуацию.

ставлю на 3-е!

[alexPec]

ставлю на 3-е!

Пожалуй тоже соглашусь

[=AK=]

Пожалуй тоже соглашусь

А я нет. Ферриты хороши для борьбы с излучаемыми помехами. А для повышения устойчивости к внешним помехам они не очень эффективны.

[shf_05]

А я нет. Ферриты хороши для борьбы с излучаемыми помехами. А для повышения устойчивости к внешним помехам они не очень эффективны.

а как же всеми любимые коммон моде чоке? если помехи синфазные и достаточно высокочастотные самое то.
и тем более вешать ферр. фильтр у источника помех будет даже еще лучше...
земля тоже очень важна, но пробросив ее проводами сильно улучшить защиту от ВЧ помех (и импульсных помех) не удастся, если сбоит плата процессора от воздействия на порты ввода-вывода. тут имхо выход один не пустить помеху до этой платы и на будущее подумать о лучшей ее разводке.

[=AK=]

а как же всеми любимые коммон моде чоке? если помехи синфазные и достаточно высокочастотные самое то.

Неуместное сравнение. Если в common mode choke намотано хотя бы по 100 витков, то у него уже примерно на четыре порядка больше индуктивность, чем у феррита, надетого на провод.

Просто феррит на провoде в качестве барьера для помех мало что дает. Зато он сильно меняет волновое сопротивление, поэтому, надетый на середину провода, "разрезает" на две части виртуальную антенну, которой является этот провод. Из-за этого излучение можно заметно снизить.

[alexPec]

Просто феррит на провoде в качестве барьера для помех мало что дает. Зато он сильно меняет волновое сопротивление, поэтому, надетый на середину провода, "разрезает" на две части виртуальную антенну, которой является этот провод. Из-за этого излучение можно заметно снизить.

Ну не знаю, продеваем шлейф 16 жил (на нем 3 датчика термосопротивления) через ферритовое кольцо 10х6х4, даже без витка. Разница скажу я вам налицо. Без него при работающем частотнике невозможно что-то померять - температуры скачут с разбросом 40..60 градусов, продеваем через феррит возле измерительной платы - болтанка в пределах 0.2..0.3 градуса. Выяснили экспериментально, ничего не считали, тем не менее результат метода стабилен.
Ферриты в свое время подсмотрел в аппаратуре NEC - они эксперты в области ЭМС, читал, у них лаборатория для ЭМС измерений где-то в горах, с пониженным электромагнитным фоном. Так вот даже на свой программатор (не говоря уже о серьезной аппаратуре) они вешают ферриты с обоих концов на USB-кабель, и с обоих концов на кабель, идущий от программатора до целевой платы, а кабель этот 15 см.

PS

Они там поставлены, чтобы пройти по уровню излучаемых помех.

Устройство, не восприимчивое к внешнему излучению, как правило (в случае линий связи в частности) является очень плохим излучателем. Т.е. если антенна на прием плохая, то и на передачу никакая. Если ферриты снижают излучаемые помехи они автоматически снижают чувствительность линии к внешним помехам.

PPS Посмотрел файлик - конечно надо ферриты одевать, но это уж перебор. В случае тех картинок где все ферритами обвешано, излучение от рядомстоящей базовой станции будет на порядки выше. Зачем столько-то, например на питание??? Или сетевую витую пару?

[=AK=]

продеваем шлейф 16 жил (на нем 3 датчика термосопротивления) через ферритовое кольцо 10х6х4, даже без витка. Разница скажу я вам налицо. Без него при работающем частотнике невозможно что-то померять - температуры скачут с разбросом 40..60 градусов, продеваем через феррит возле измерительной платы - болтанка в пределах 0.2..0.3 градуса.

Очевидно, что вы этим колечком расстраиваете приемную антенну. А вот если ваше устройство сбоило на EFT тестах , то очень сомневаюсь, чтобы колечко вам сильно помогло, поскольку там помеха наводится не по эфиру, а через емкостные клещи.

Устройство, не восприимчивое к внешнему излучению, как правило (в случае линий связи в частности) является очень плохим излучателем.

Мощные источники помех (импульсные БП, искрящие контакты реле, тиристоры, и т.п) как правило сами невосприимчивы к помехам, как с ними быть?

ферриты снаружи- это для устойчивости аппаратуры к внешним воздействиям.

Какие у вас основания для этого утверждения?

[shf_05]

подаем помехи через емк. и инд. "клещи" - наносек. и кондуктивные. Поэтому поводу повторюсь- пробовали сами множество видов ферритов и конструкций (размер, число витков), были разные результаты, но с опр. типами практически удалось добиться существенного снижения уровня помех на выходе фильтра-входе ап-ры.
уважаемый =AK= я не спорю и не навязываю вам свое мнение, просто из моего опыта говорю для чего я применял ферр. фильтры, дело в том, что мои изделия не являются сами источниками мощных помех, а как раз подвергаются им. Конечно, применяя те же самые фильтры и т.п. вы защищаете "внешнюю среду" от помех, создаваемой аппаратурой, то же самое только наоборот я советую попробовать автору.
если вы подключаетесь к ап-ре, которая сильно излучает кондуктивные помехи, что делать? лезть в ап-ру или защищаться самому?
утверждение касается моего опыта, конечно, у этих "колечек" и др. назначение тоже есть, но если скажем дискретный вход, на котором по определению "ничего нет", потому что он вход, но тем не менее висит колечко- зачем? или на входе скажем счетчиков электроэнергии, термодатчиков, входах аудиоаппаратуры и т.п. - все это ведь не является источником помех.

про шлейф- имхо: неважно, как навелась помеха на шлейф по эфиру или через клещи- клещи кстати тоже используют эл.маг. связь как и эфир?
пс- мое мнение колечки следует применять для 1. предотвращения помехоэмиссии, 2. сопротивления синфазным помехам.

Прикрепленные файлы

 Use_Soft_Ferrites.pdf ( 409.42 килобайт ) Кол-во скачиваний: 78

 

[=AK=]

применяя те же самые фильтры и т.п. вы защищаете "внешнюю среду" от помех, создаваемой аппаратурой, то же самое только наоборот я советую попробовать автору.

Конечно, ферриты на кабелях дадут некоторое улучшение помехоустойчивости, я с этим не спорю. Однако я сомневаюсь, что это улучшение будет существенным. На мой взгляд, правильно выполненая система земель важнее, а ферриты пойдут как полезный "довесок".

За счет большой амплитуды источника EFT помех, наведенная в кабель помеха ведет себя примерно так же, как сигнал от источника тока. То есть, ей, в общем-то, "наплевать" на импеданс цепи, величина тока от этого мало зависит. Соответственно, поставите ли вы в этой цепи феррит или нет - не играет большой роли, ток в цепи уменьшится не сильно. Как говорится, "пуля дырочку найдет".

Я предпочитаю прямо противоположный подход. Вместо того, чтобы препятствовать прохождению помехи - надо наоборот, обеспечить ей "режим наибольшего благоприятствования" и пустить по "грязной земле" в обход чувствительных цепей. А феррит - в качестве барьера - поставить между грязной землей и чистой. Вот тогда от него будет гораздо больше пользы, да и феррит при этом можно будет поставить маленький и дешевый.

Да какая разница какой там тест, мы говорим про то помогает это или нет от внешних помех - в моем случае помогает и существенно. Поэтому и ТС советую.

Разница в том, что у ТС налицо симптомы сбоя от наносекундных помех. Которые при тестировании наиболее полно и близко к реальности имитируются во время тестирования на EFT. А то, что вы тут рассказывали к наносекундным помехам относится довольно фиолетово. Судя по вашему описанию у вас устройство было подвержено влиянию РЧ помех. Которые имитируются так: испытуемое устройство помещают в безэховую камеру, создают внутри определенную напряженность РЧ поля (типично порядка 3 В/м, если склероз не изменяет) и меняют частоту в широком диапазоне. Эффективные приемы защиты от РЧ помех вообще говоря существенно иные, чем приемы защиты от наносекундных помех. В силу этого ваш совет оказался, как говорится, не совсем "в кассу".

помеха наводится (ну или так сказать, находится) в линиях связи, которые и надо защитить от помех.

Помимо помех, "наведенных в линии связи", у ТС наверняка помеха бегает по земляным контурам и по кабелям питания. И совсем не так уж очевидно, что именно вызывает сбои.

[AlexandrY]

Конечно, ферриты на кабелях дадут некоторое улучшение помехоустойчивости, я с этим не спорю. Однако я сомневаюсь, что это улучшение будет существенным. На мой взгляд, правильно выполненая система земель важнее, а ферриты пойдут как полезный "довесок".

Согласен полностью.
У нас в сертификационной конторе ферриты дают бесплатно если видят, что это может помочь. Ну так ферриты у них так и лежат, никому не помогает.
По опыту сертификации скажу, что ферриты максимум могут задавить отдельные частоты в диапазоне 10-300 МГц на 6 дБ.
Обычно подавление не превышает 3 дБ. Это хорошо видно по спектроанализатору.

Для примера, когда была проблема с излучением от 1 Вт DC/DC преобразователя, как показано на рисунке:

никакие ферриты и на входе и на выходе ее не смогли решить.

Поэтому рассказы от том, что одни только ферриты помогают улучшить показания АЦП на несколько разрядов отношу к области мифов.

[shf_05]

как раз наносек. импульсы мы и подавали, жаль осциллограмм не осталось, когда с 2кВ до 200В помеха снижается, это сколько дБ?
частоты НСИ в каком диапазоне частот расположены?
а пускать помеху внутрь прибора это вы зря задумали- лучше всего сливать ее до входа в корпус или вообще не пускать.
как пример- есть некий прибор, не расчитанный на воздействия НСИ 2кВ, когда на него подаешь НСИ - ему плохо, через ЭМС фильтр он чувствует себя хорошо.
и даже снижение на 3 дБ может дать хороший бонус - все помехи, наведенные на п.п. приборы имеют последствия примерно квадратично зависящие от их напряжения.
такие мифы я не слышал.
ничего не могу сказать про излучения от ИБП.
одно могу сказать если сделано весьма неудачно, то фильтры точно не помогут., но ведь стаят их на провода от ИБП- посмотрите вокруг...

Прикрепленные файлы

 Charoy_presentation.pdf ( 1.76 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 1136

 

[=AK=]

как раз наносек. импульсы мы и подавали, жаль осциллограмм не осталось, когда с 2кВ до 200В помеха снижается, это сколько дБ?

Интересно, как вы смотрели осциллографом наносекундные помехи амлитудой 2кВ? Дело в том, что высоковольтные щупы не обеспечивают большой полосы, с ними наносекундные помехи не увидишь. Даже обычный щуп 1:10, который держит всего несколько сотен вольт, гробит полосу примерно до 200 МГц, и только самые лучшие имеют полосу 500-600 МГц. А щупы 1:1000, которые держат 10-20 кВ, имеют полосу порядка 50-100 МГц. А у вас какой щуп был?

И в какой точке своего устройства вы видели помеху 2кВ, т.е. в точности равную амлитуде на выходе генератора на холостом ходу? Выходное генератора 50 Ом, далее идут емкостные клещи (скажем, 10 пФ), затем 3 метра кабеля (что есть довольно приличная индуктивность сама по себе), только после этого помеха попадает вам на вход. И вот в этой точке вы подключили высоковольтный щуп и увидели все те же 2 кВ без малейшего ослабления? А затем надели на кабель феррит, т.е. добавили сколько-то индуктивности кабелю, и в этой же точке сигнал уменьшился до 200В? Мне трудно в это поверить.

Индуктивность провода (кабеля) равна

L = (u0*len)/(8*п)

Для 3-метрового кабеля это составит примерно 0.15 мкГн. Ферритовое колечко TN13/7.5/5 с наружнам диаметром 13 мм, дыркой 7.5 мм и высотой 5 мм из материала с проницаемостью 2000, надетое на провод, добавит примерно 0.9 мкГн. Увеличение индуктивности заметное, но все-таки даже не в 10 раз.

[shf_05]

может мои результаты не претендуют на скурпулезно поставленный эксперимент, но качественную каритну они дали.
результаты я не придумал ведь.
во 1-х щуп и осцилл. был на 300МГц, полоса не сильно большая, но качественно посмотреть все же можно, даже форма импульса НСИ в каком-никаком качестве видна.
потом, если включить осц. в режим пикового детектора, то ампл. напряжения он показывает неплохо даже если частота выше его максимума.
ну даже при полосе щупа в 300МГц, то она не представляет собой идеальный фильтр, а плавно спадает.
конечно, получалось не 2000,0001В и не 199,999В.
для проверки амплитуды вых. импульса мы подключали низкоомный делитель на вход осцилла, после колечка уже без делителя.
колечко, которое давило "круто"- собрано из 6 колец М2000 НМ 1-36 К45*28*12, накручено 8 витков.
когда подключали ВЧ феррит (конфигурация та же), ослабления почти не было- наоборот на выходе колебания той же амплитуды, но несколько периодов, думаю, что это связано с потерями в феррите + емкость входа прибора на землю, все это в куче и дает ослабление. другие типы материала колец и их количество в "трубе" давали разный результат.
земля осциллографа соединялась с землей прибора, ее подключение не влияло на ход испытаний.
ПС- от кондуктивных в полосе до 80МГц (выше не проверял сам, не могу казать) тоже неплохо помогает.

предварительно проверяли "фильтры" НСИ с ампл. 500В, тут подключали без внешнего делителя, щуп до 300В на входе, выбрали наиболее удачные, и их применяли.

в результате получали улучшение работы аппаратуры, которая "вылетала" по 1-му импульсу 1кВ (порт RS232) и после фильтров стояла не по 1-2 а по 10 минут даже не моргнув глазом, даже данные не нарущались.
конечно, вы правы одни "колечки" не спасут уж совсем плохо спроектированную аппаратуру, нужен комплекс мер, но тем не менее при желании можно сделать довольно неплохую подмогу для борьбы с помехами.

пс- в борьбе с кондуктивными помехами в полосе до 80МГц тоже помогает неплохо.

[=AK=]

для проверки амплитуды вых. импульса мы подключали низкоомный делитель на вход осцилла, после колечка уже без делителя.

Надо полагать, что низкоомный делитель на входе осцилла существенно менял всю картинку, так что вы все-таки наблюдали не совсем то, что происходит на самом деле, когда осцилла нет. К тому же точка подключения к земле этого делителя тоже играла существенную роль, подключая их к разным точкам земли прибора вы скорей всего увидели бы заметно другие картинки. Собственно, ув. AlexandrY об этом уже говорил.

[shf_05]

землю осцилла цепляли в разные точки- мало что менялось, тут вы правы все нужно делать очень внимательно и скурпулезно, но речь не о том чтобы привести какие-то характеристики для офф. протокла или документации речь о методе ну хоть не +-лопата, но совок допустим.
низкоомный шунт конечно шунтировал выход, но качественно картина думаю не менялась, т.к. постоянная времени емкость клещей-резистор шунта все же была много больше длительности НСИ.
как то все скатилось в оффтоп, автору то вообще все это надо?

[=AK=]

постоянная времени емкость клещей-резистор шунта все же была много больше длительности НСИ.

Емкость клещи-кабели порядка 10 пФ, длительность импульса 50 нс по уровню 0.5. Значит, "резистор шунта" (это входное делителя?) у вас был много более 5 кОм, я правильно вас понял? Удивляюсь, почему вы свой опыт описываете столь отрывочно и расплывчато, что все время приходится гадать, что же вы на самом деле меряли.

как то все скатилось в оффтоп, автору то вообще все это надо?

Если бы мы тут рассуждали не на темы EMC, это был бы оффтоп. Конкретная проблема ТС не является единственным топиком темы, которая носит весьма общее название "Моя проблема ЭМС".

[shf_05]

Емкость клещи-кабели порядка 10 пФ, длительность импульса 50 нс по уровню 0.5. Значит, "резистор шунта" (это входное делителя?) у вас был много более 5 кОм, я правильно вас понял? Удивляюсь, почему вы свой опыт описываете столь отрывочно и расплывчато, что все время приходится гадать, что же вы на самом деле меряли.

это было больше года назад, результаты не протоколировали по все правилам, просто отметили что подходит, что нет, да и детали эксперимента вероятно мало кого интересуют, важен сам результат - если ферр. фильтры могут и используются на практике для подавления помех.
важно только от них этого "добиться" - например 1 кольцо М2000 ни при каких условиях не давало какого-либо заметного ослабления, а когда соединили их около 6 шт. в трубу, получили хорошее ослабление НСИ и конд. помех (на 12 и 20 МГц была проблема). ну и искать более подходящие марки феррита, позволяющие снизить габариты фильтра. ВСЕ.
по землям и прочему я уже говорил- пробрасывание их абы как мало поможет- нужно все продумывать, если плата контроллера плохо сделана, то от НСИ и кондуктивных помех будет сбоить 100%- индуктивность проводов PE (зеленые) такая, что от них мало толку...
вот и предлагаю бороться с НСИ наиболее эффективным из оставшихся способов