Layout e piani di massa per scheda industriale.

[AjeieBrazov]

Dovrei sviluppare una scheda di controllo che andra' montata all'interno di un macchinario che operera' in ambiente industriale.
Per evitare che i disturbi raggiungano il micro (con conseguenze da evitare come la peste) ho pensato di utilizzare alcuni accorgimenti:
- Prendere l'alimentazione per il micro dai 24 V del quadro utilizzando un convertitore CC-CC isolato.
- I/O digitali optoisolati.
Il layout della scheda dovrebbe essere a grandi linee come questo

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Quindi una zona centrale dove trovano posto il micro ed i circuiti ad esso associati, e la parte periferica dove ci sono i circuiti di I/O alimentati dal loro 24 V.
La parte del micro e' SMD e pensavo di mettere un piano di massa per proteggerlo da eventuali disturbi. Gli optoisolatori si troverebbero a cavallo fra la zona del micro ed il resto del circuito.
Il piano di massa lo lascerei non collegato a niente se non allo 0V dell'alimentazione del micro.

Qualcuno ha da darmi ulteriori consigli in merito, o eventualmente, correzioni?

Ringrazio in anticipo.

[arbifive]

Se vuoi una schermatura del 99,9% potresti inserire la parte microc in uno chassis metallico

[boiler]

Farai fare dei test di compatibilità elettromagnetica?
Se sì, con quali norme?
Se no, cosa dobbiamo aspettarci (per esempio se il tutto è impacchettato in un quadro elettrico metallico e interfacciato ad altri componenti), possiamo considerare il rischio di ESD basso e non occuparcene piú di quel tanto...

Gli optocoupler non servono a nulla per i disturbi in radiofrequenza o di tipo surge/burst: non sono altro che delle capacità tra i due domains, perfettamente trasparenti per i disturbi.
Ti serve l'isolazione galvanica per motivi funzionali o la useresti per evitare disturbi. Nel secondo caso, puoi risparmiartela.

Il convertitore DC/DC non necessariamente migliora la situazione: se è di qualità e certificato, resisterà a disturbi radiati e condotti in ingresso, ma non necessariamente sarà lui stesso "pulito" in uscita. Questo però puoi testarlo abbastanza facilmente.

La filosofia da seguire (in linea di principio, non c'è una ricetta valida sempre) per disturbi condotti in ingresso ad un circuito è la seguente: a bordo scheda metti un ground-plane collegato a PE, in questa zona, sul top-layer entri con il segnale, in prossimità del morsetto -se ti aspetti sovratensioni importanti, per esempio surge- monta un TVS. Subito dopo cerchi di portare tutti i disturbi RF sul ground-plane (leggasi, non portare a spasso il segnale per mezza board). Dato che questi disturbi arrivano a frequenze di tutto rispetto, il layout è importante. Qualcosa del genere aiuta:

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A parole: forza il segnale a passare sul pad del condensatore di filtro. Se fai una pista dritta e attacchi il condensatore a T, i disturbi tirano dritto.
Ancora meglio: condensatori X2Y dela Johansson Dielectrics, con un layout come specificato nel datasheet.
Occhio alla frequenza di risonanza del condensatore, che dipende dalla sua forma fisica e dalla sua capacità.
Il secondo lato del condensatore deve andare sul groundplane con una bassa impedenza, quindi anche qui, niente piste di prolunga, pad grande e abbondanza di vias.
Il groundplane viene così infestato di tutti i disturbi, che dobbiamo portare via. Per questo motivo va esso stesso collegato al riferimento di chi produce i disturbi in modo sicuro. Questo significa che un cavetto giallo-verde da 1.5 mmq non va bene. La soluzione migliore è fare il montaggio in modo che il groundplane vada al PE della macchina su un percorso breve, spesso e diritto. Un classico sono le viti con le quali viene montato, altrimenti con una calza di messa a terra.

Questo è l'ingresso, il resto del tuo circuito lo vuoi tenere pulito, quindi fai un secondo groundplane, che chiameremo GND. Tra i poligoni PE e GND avrai una fessura. Ad ambo le fini della fessura (e negli angoli se ne hai) metti un condensatore (100 pF - 1 nF, niente di grosso) che collega i due planes. Se non li metti (a) non hai una via di ritorno per eventuali disturbi sul groundplane pulito e (b) rischi di generare un'antenna e peggiorare incredibilmente le cose.

Tutti questi condensatori devono tenere la tesione di clamping in caso di surge (per un TVS arriviamo tranquillamente a 70 V)!

Se non hai messo TVS in ingresso, metti ora, sul groundplane pulito (e io ce li metterei in ogni caso) degli zener di protezione.

Se il tuo micro ha ingressi importanti tenuti "a posto" da un pull-up interno, vai incontro a problemi. Un classico è l'interfaccia di debug (JTAG o SWD). L'active-low reset ha praticamente sempre un pull-up interno al micro, quindi lo si lascia flottante. I pull-up interni sono però molto deboli e i connettori dell'interfaccia di debug sono ottime antenne. È subito fatto che un segnale irradiato ti resetti il micro. Quindi: pull-up bello solido esterno e condensatore (10 nF bastano e avanzano) vicino al piedino.

Quando hai fintio il layout fai un polygon-fill sui layer esterni collegato a GND.

Questo è quello che mi viene in mente su due piedi... se puoi e vuoi dare piú dettagli, posso darci un'occhiata.

Ciao, Boiler

[boiler]

Se vuoi una schermatura del 99,9% potresti inserire la parte microc in uno chassis metallico

Non serve a niente contro i disturbi condotti. In un modo o nell'altro devi far entrare e uscire dallo chassis segnali e alimentazione. A meno che tu non lo faccia per via ottica, il problema permane.

Boiler

[boiler]

Forse questo layout è ancora meglio, sarebbe interessante fare una misura

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Boiler

[AjeieBrazov]

Gli ingressi li devo isolare per motivi funzionali.
Da quello che ho capito questo dovrebbe essere l'ingresso

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[luxinterior]

Ottime informazioni Boiler.
Come ha spiegaot Bolier isolare il mondo non serve bisogna trovre il mix di protezioni giuste
i TVS sono un must secondo me (Io li metterei anche su uscita)
Diodi di clamp sugli ingressi.
Usare se possibile dei driver sulle uscite mal che vada butti il driver
Se possibile limitare la corrente massima erogabile dalle uscite.

Se hai la possibilità cerca di fare pre test parziali giusto per capire come vanno le cose

Considera che in ambito industriale è più severa l'immunità rispetto all'emissione (il contrario per apparati "residenziali")

Se hai uscite connesse a linee lunghe fai fare anche la prova ....che non so come si chiama... che simula fulminazione sul cavo. Non so quanti pezzi devi fare ma suggerisco di non risparmiare sulle prove meglio farne una in più e non avere sorprese. A me succede che mettendo le mie schede in impianti assieme ai nomi blasonati dell'automazione la colpa in caso di guasto si sa già di chi è....Quindi meglio avere il culo ben ben parato.

Infine non farti troppi patemi d'animo e non farti prendere dalla smania di riempire la scheda di protezioni.
Fai attenzione al layout del PCB come dice Boiler evita di lasciare masse appese

[AjeieBrazov]

Devo praticamente fare una nuova versione di una scheda vecchia (di cui ho il circuito) che, a dire il vero, non ha nessuna di queste protezioni, non ha piani di massa isolati, non monta nessuno zener o TVS sugli ingressi ed ha solo il convertitore isolato per l'alimentazione.
Non ha neanche il collegamento elettrico (terra) con il quadro che la alloggia.

[luxinterior]

Anche a me hanno fatto fare una nuova revisione di una scheda che collegava morsetti dritti a comparatore il tutto alimentato da 7805 alettato. Nient'altro ed era pure certificata a detta del costruttore
Se ti chiedono una nuova versione con queste premesse immagino già il motivo...

Dimenticavo sugli ingressi anche dei semplici filtri RC potrebbero "tornare buoni" per limitare le schifezze

[AjeieBrazov]

No, non e' per quello, ma perche' il fornitore non le fa piu'.
Sono veramente vecchie.