Электронные схемы: почему работают на столе, но отказывают в корпусе

Время чтения: 23 минуты

В действительности эта разница очень существенная и она увеличивается с ростом рабочей частоты и (или) скорости передачи данных в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).

В моей практике был случай, когда неэкранированный усилитель мощности для диапазона 430 МГц отлично работал вне конструктива. Но после помещения аппарата в металлический кейс его выходная мощность уменьшалась более чем в два раза. Как выяснилось, крышка вносила паразитную ёмкость, которая изменяла частоты настройки колебательных контуров усилителя.

Проблема была решена путём экранировки и последующей регулировки устройства. Рассмотрим семь параметров, которые меняются после закрытия крышки модуля.

На столе аппаратура находится при комнатной температуре в условиях свободного движения воздуха в результате конвекции. Для оборудования, в котором нет принудительного обдува, конвекция в закрытом корпусе затруднена. Поэтому температура электронных элементов будет выше, чем при нахождении платы на столе в лаборатории. У схем, критичных к температурному воздействию, это приведёт к изменению характеристик.

На столе электроника соединена с другими устройствами короткими проводниками, а в реальности может быть наоборот. Длинные проводники выступают в качестве приёмников мощных внешних электромагнитных помех. Наведённые в них ЭДС нарушают нормальную работу аппаратуры.

На столе аппаратура получает электропитание от практически идеального ЛБП, подключённого короткими проводами к схеме. В готовом изделии питание может поступать от аккумуляторов или отдельного блока с DC-DC преобразователем в корпусе. Длинные соединительные проводники имеют паразитную распределённую индуктивность и ёмкость. Если не принять конструктивных и схемотехнических мер, то паразитные параметры изменят характеристики устройства.

На столе тестируемая плата, измерительные приборы, датчики и источник питания соединяются с общим проводом в одной точке. При неправильном проектировании в металлическом конструктиве плата будет соединена с конструктивом в нескольких точках. При этом возникают земляные петли со всеми вытекающими отсюда последствиями.

На столе печатная плата не подвергается механическим воздействиям. Схема, закреплённая в готовом конструктиве, испытывает деформации из-за того, что высоты стоек, на которые опирается печать, могут незначительно отличаться.

Такой дефект также возникает при попытке подключения к печати проводных шлейфов. Это происходит, если плата больших размеров закреплена только по углам, а середина не фиксирована.

Неправильно спроектированная конструкция системы охлаждения конструкции также приведёт к некорректной работе устройства из-за его перегрева.

Типичным примером устройств с близкорасположенной антенной служат Wi-Fi роутеры, модули BLE и другие излучающие аппараты.

Ситуации, когда оборудование тестируют на столе и в готовой конструкции, всегда отличаются. Здесь критично всё: расстояние от прибора до антенны, их взаимное расположение, подключённые средства измерений и т. д.

Плохое экранирование монтажа или его отсутствие почти всегда приводит к сбоям в работе аппаратуры.

Аппаратура, тестируемая на столе без кейса, находится в контролируемых лабораторных условиях. Та же схема, находящаяся в конструктиве и работающая в реальных условиях эксплуатации, подвержена воздействиям влажности, температуры воздуха и концентрации пыли. Все эти факторы изменяются во времени.

Запылённость воздуха влияет на работу оптических датчиков, а пыль проникает внутрь кейсов через вентиляционные отверстия и оседает на печатных платах. Слой пыли обладает конечной проводимостью, что может повлиять на работу блоков РЭА с высоким входным сопротивлением.

При колебаниях температуры окружающего воздуха возможно образование конденсата на монтаже, что приведёт к отказу прибора, если печатный монтаж не защищён компаундом.

В моей практике был примечательный случай, когда я макетировал узел из двух активных полосовых фильтров на дискретных элементах. Всё работало замечательно, пока я не решил проветрить лабораторию. После того как я открыл окно, в помещение хлынул прохладный осенний воздух, и частоты настройки фильтров поплыли прямо на глазах. Термический дрейф параметров электронных компонентов стал причиной изменения характеристик фильтров.

Так был обнаружен схемотехнический просчёт и ошибки в выборе типов частотозадающих элементов, в качестве которых использовались конденсаторы.

Тут я вспомнил про такой параметр конденсаторов как температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ). После замены частотозадающих ёмкостей на радиодетали с лучшим значением ТКЕ проблема была решена.

В описанном случае тепловой режим электроники в корпусе какое-то время отличался бы от температуры поступающего воздуха. Но после достижения теплового равновесия просчёт всё равно бы проявился. Приведённый пример наглядно иллюстрирует влияние температуры на параметры электронных схем.

Поэтому для удобства работы рекомендуется установить на конструктив технологический тестовый разъём на 2–4 контакта. Выводы разъёма подключают к интересующим точкам схемы. Такой подход позволит проводить измерения при закрытой крышке кейса.

Ниже информация, позволяющая ускорить поиск причин некорректной работы оборудования в случае, когда нужно срочно устранить неисправность.

Дефекты системы питания чаще всего являются причиной некорректной работы аппаратуры в готовом конструктиве. Всё потому, что на столе близкий к идеальному ЛБП. В корпусе может быть что угодно. Перечислим возможные варианты организации электропитания схем в кейсах.

Питание от импульсного преобразователя DC-DC

Преобразователи создают импульсные DC-DC шумы в широком частотном спектре, которые провоцируют наводки в проводниках печатного и объёмного монтажа. При использовании металлических кейсов происходит пульсация питания в корпусе. Наведённая электродвижущая сила (ЭДС) возникает на внутренней поверхности и становится вторичным источником излучения.

Электроснабжение на линейных трансформаторах

Такие устройства выдают выходные напряжения, свободные от коммутационных помех импульсных DC-DC, но в питающем токе содержатся переменные составляющие, кратные частоте 50 Гц. При исправном блоке уровень этих составляющих пренебрежимо мал. Такие источники по своим характеристикам наиболее близки к лабораторным блокам питания (ЛБП).

Энергообеспечение от щелочных или аккумуляторных батарей

Рассматриваемые схемы энергообеспечения отличаются друг от друга наличием модулей подзаряда встроенных аккумуляторов.

Батарейные блоки также обеспечивают выходные напряжения, свободные от импульсных помех и переменных составляющих с частотой промышленной сети. Но по мере разряда их внутреннее сопротивление увеличивается, а отдаваемый в нагрузку ток и напряжение на батарее падает. Следовательно, батарейные блоки не обеспечивают стабильное питание.

Симптомы неисправностей в схемах питания приведены в п. п. 1,3,8 таблицы выше. Такие проблемы решаются следующими способами:

Практический вывод: мониторинг качества электропитания — это отправная точка на пути поиска причин ненадлежащей работы РЭА в готовом конструктиве.

Нестабильность параметров электронных компонентов при нагреве изделия часто приводит к некорректной работе аппаратуры. Рассмотрим следующий пример.

Плюс 35 °C внутри корпуса, а в комнате +20 °C. Микроконтроллер дрейфует, схема работает нестабильно.

Кейс ограничивает конвекцию воздуха внутри оборудования. Поэтому тепло, которое при работе платы на столе свободно уходило в пространство, затрачивается на нагрев воздуха внутри готового конструктива и его содержимого. При этом тепловой режим работы электроники ухудшается.

Причина происходящего кроется в неправильно спроектированной системе охлаждения. Ниже перечислены типичные ошибки, допускаемые при разработке:

Для иллюстрации ниже приведён график термического дрейфа кода АЦП микроконтроллеров C8051F410 и MDR32F9Q.

Зависимость кода АЦП в начале (а) и в конце шкалы (б) при входном напряжении 500 и 1700 мВ соответственно.

Дрейф кода влияет на разрешение, время и точность преобразования АЦП.

Проблема избыточного тепловыделения электронных компонентов может частично решаться путём дератинга (derating — понижение величины мощности относительно номинальной). Например, транзистор, работающий на максимальной допустимой мощности 10 Вт, будет нагреваться значительно больше, чем такой же, работающий на мощности 1 Вт.

Практический вывод: после того как изделие в кейсе прогрето и начались глюки, необходимо всегда проверять температуру электронных компонентов, используя тепловизор и пирометр.

Если земляная шина печатной платы (GND) соединена с металлическим конструктивом в нескольких местах, то образуется земляная петля. В неё входят металлические части соединителей, экраны кабелей, поверхность корпуса и т. д.

Металлический корпус — не просто кейс. Это проводник, которого нет на принципиальной схеме.

Фактически земляная петля представляет собой рамочную антенну, по которой под воздействием наведённых ЭДС протекают паразитные токи. Они приводят к некорректной работе оборудования.

Наведённые ЭДС возникают из-за воздействия магнитных полей трансформаторов ЛБП (50 Гц) и импульсных помех преобразователей DC-DC (десятки–сотни кГц).

Эти наводки проявляют себя следующим образом:

Практический вывод: при использовании металлического кейса необходимо соблюдать правило одной точки заземления. Экраны кабелей в цепях передачи аудиосигналов заземляют с одной или двух сторон в зависимости от частоты наводки.

Понятие «электромагнитная совместимость» (ЭМС) означает способность радиоэлектронных средств работать в условиях взаимных радиопомех, создаваемых друг другу.

Импульсный преобразователь — источник внутренних радиопомех. Они переизлучаются металлическим корпусом и наводят паразитные ЭДС на элементах схемы.

Эффект переизлучения наглядно иллюстрирует источник света в комнате с зеркальными стенами. Поэтому при монтаже платы в закрытый металлический кейс ЭМС в корпусе из-за ВЧ-шума DC-DC ухудшается.

В диэлектрическом корпусе явление переизлучения отсутствует, но он не обеспечивает защиту от внешних радиопомех. Такая защита необходима при эксплуатации разработанного устройства вблизи мощных источников электромагнитного излучения, например, радиотелевизионных передающих центров.

Переизлучающий эффект имеет несколько симптомов:

Для нейтрализации влияния переизлучения рекомендуется использовать ферритовые изделия на проводниках питания и сигнальных цепях чувствительных узлов, их экранирование и разделение аналоговой (AGND) и цифровой (DGND) земли.

Практический вывод: обе шины AGND и DGND следует соединять в одной точке, находящейся максимально близко к АЦП. Экраны рекомендуется выполнять из хорошо проводящего металла с гладкой поверхностью и по всему периметру припаивать к земле.

Радиосредства, использующие технологии Wi-Fi и BLE, работают в одном частотном диапазоне. Поэтому с точки зрения обеспечения ЭМС требования к их эксплуатации одинаковые.

Металлический конструктив и встроенная антенна — несовместимые вещи. Пластиковый кейс — с оговорками.

На частотах RF металл с высокой проводимостью близок к идеальному проводнику. Экранирующие свойства пластика зависят от его состава. Например, полимеры ABS с наполнителями хорошо поглощают радиоволны, поэтому они непригодны для конструкций со встроенными антеннами в силу эффекта клетки Фарадея для радиоволн.

Для большинства радиомодулей в технических условиях оговорено, что их антенны должны быть вне конструкции или монтироваться внутри неё так, чтобы в зоне 10 мм по периметру модуля отсутствовали любые проводники. Это необходимо для исключения их влияния на характеристики излучателя и минимизации RSSI потерь.

Если дальность связи аппаратуры с Wi-Fi или BLE значительно меньше заявленной производителем, необходимо оценить коэффициент RSSI в соответствии с п. 7 таблицы. Возможные причины этого — бракованный модуль Wi-Fi или BLE, либо большие потери энергии в кейсе. Если разница в измерениях снаружи конструкции и внутри более 10 дБ, то проблема в конструктиве.

Практический вывод: если расположение антенны в корпусе — требование технического задания на проектирование, то выбор материала конструкции и её геометрии нужно выполнять до трассировки печатной платы, а не после. Если допустимо использование внешней антенны с пигтейлом — это наилучшее решение.

Допустим, плата согнулась на 0.2 мм при монтаже. Появляется невидимая микротрещина с нестабильным контактом.

Механические напряжения возникают в результате просчётов в проектировании конструкции устройства и ошибок, допущенных при монтаже. Следствием их воздействия могут быть изгиб платы, трещины пайки QFN корпусов и печатных проводников, нарушения контактов в местах размещения разъёмов, припаянных к плате.

Чаще всего плата фиксируется в конструктиве с помощью резьбовых стоек PCB.

После того как плата закрепляется к стойкам, может возникнуть её перекос, из-за которого возможен надлом проводников и повреждения пайки.

Симптомами возникновения механических напряжений могут быть нестабильная работа схемы при прикосновении к печати или разъёмам, а также при термоциклировании собранного изделия.

Для контроля состояния монтажа используются:

Практический вывод: монтаж платы в конструктив и последующее тестирование работоспособности аппаратуры — важнейший этап в разработке электроники. Если механика исполнена правильно, то у разработчика проблем не возникнет.

Лучше потратить три часа здесь и сейчас, чем три дня потом на вылавливание неисправности. Ниже приведён перечень проверок аппаратуры, которые рекомендуется выполнять до закрытия корпуса:

Выполнение рекомендаций не даёт гарантии, что собранное изделие сразу заработает, но позволит сэкономить время на поиске причин некорректной работы аппаратуры.