В прошлом посте я упоминал, что уже получил первое письмо по e-mail рассылке от EMI-Buster и хочу поделиться переводом его краткого содержания.
Был у него случай, когда устройство не прошло тесты на ESD, несмотря на наличие защиты от электростатического разряда.

Защищать нужно было интерфейс с максимальным напряжением 45 В.
Для этого был выбран защитный компонент EZAEG3W11AV с номинальным напряжением 50 В.
В целом, всё по классике: мы смотрим на максимальное напряжение защищаемой линии, берём TVS-диод с номиналом чуть больше, и дело в шляпе.

Но в этом случае каждый ESD-разряд, несмотря ни на что, уничтожал микросхему.

Полезли в даташит, чтобы посмотреть не номинальное напряжение, а напряжение пробоя (V breakdown) — то самое напряжение, после которого диод начинает открываться, а значит, и подавлять ESD-разряд.
Но в даташите не оказалось информации об этом напряжении!
Есть информация о каком-то Peak Voltage (wtf?), а обо всех остальных параметрах — ни слова.

Ответы на вопросы дало описание внутренней структуры (на фото ниже) в том самом даташите: «Внутренние электроды», «изолирующая керамика», «Область разряда (полая внутри)».
ПОЛАЯ ВНУТРИ???
Так это вовсе не диод, хотя в даташите в качестве символа нарисован именно он.
Это, мать его, искровой разрядник в корпусе 0603! Который, видимо, затесался рядом с TVS-диодами где-то в фильтрах дистрибьютора.

У разрядника другой принцип работы, другая область применения и к моменту, когда он начинает срабатывать, микросхема уже умирает.
Короче говоря, полное фиаско.

Самое забавное, что всё это можно было бы предотвратить, просто внимательно прочитав даташит.

Хотя признаюсь, такой подставы обычно не ожидаешь. Если в даташите нарисован диод — значит, это диод. Если написано 50 В, значит, после 50 В он начинает ограничивать напряжение.
Это же обычный диод! 🤡Что там ещё читать? 🤡Только время тратить!🤡

Тема с искровым разрядником в прошлом посте вызвала у меня любопытство, и я задался вопросом: а зачем вообще его использовать для ESD-защиты? В чем его отличие от всеми любимого TVS-диода?

Итак, отвечаю будто я ChatGPT:

1. Разрядник может работать с гораздо большими напряжениями, вплоть до 10 кВ, в то время как TVS-диод редко превышает 1 кВ.

2. Разрядники обладают гораздо большей мощностью, которую TVS-диоды достигают в порядке исключения.
Например, более 90% разрядников на DigiKey имеют импульсный ток разряда более 1 кА, вплоть до 100 кА.
У TVS-диодов на том же DigiKey таким током обладают только 0,7% от общего числа диодов.

3. Разрядники меньше влияют на сигнальные цепи.
У них паразитная ёмкость в районе 1 пФ, а сопротивление порядка гигаОм, что сводит ток утечки к минимуму.

4. Однако, несмотря на такую маленькую ёмкость, скорость реакции у разрядника медленнее, чем у диода.
Разряднику всё-таки нужно запустить процесс ионизации газа и всё такое. Короче говоря, он парень не спешный.

5. При этом он весьма громоздкий, поскольку для газа и самого разряда нужно какое-то пространство внутри компонента.

6. Но зато разрядник гораздо надёжнее и дольше работает в условиях, когда импульсы перенапряжения случаются регулярно.

Помимо всего этого, у разрядника есть ещё одна очень важная особенность, но о ней я напишу в другом посте😉

Важная особенность, которую нужно учитывать при работе с газоразрядными трубками (Gas Discharge Tubes, GDT).

Для начала давайте проговорим, что вообще из себя представляют GDT.
GDT — это два электрода, расположенные внутри трубки на небольшом расстоянии друг от друга.
При превышении определённого напряжения между этими электродами происходит пробой, возникает искра, буря, безумие и избыток энергии при скачке напряжения сбрасывается через этот разряд.
Чтобы процесс разряда был контролируемым, трубку заполняют инертным газом, который не вступает в химические реакции с другими веществами.

Газ, разряд, ток, напряжение… Всё это навевает воспоминания о курсе по плазменной электроники в университете… И не спроста...

Вообще существует несколько видов разрядов, которые могут происходить в газовом промежутке между электродами. Они имеют разные свойства и условия возникновения.
GDT работает на искровом разряде.
И если посмотреть на вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда, то искровой соответствует «нормальному» разряду. Это когда напряжение достигает значения пробоя: ток резко увеличивается, а напряжение падает.

Но вот если выброс напряжения достаточно мощный и продолжает поддерживать разряд в трубке, то искровой разряд может перейти в дуговой.
А дуговой разряд нам не бро, так как он характеризуется очень высоким током, который может протекать даже при низких напряжениях.

Что всё это значит, если вернуться из мира плазменной электроники в мир схемотехники?

Если GDT поймала мощный выброс перенапряжения, то она может оставаться в проводящем состоянии и пропускать через себя ток, даже после того, как перенапряжение исчезнет.
А значит, она просто-напросто сгорит и может сжечь еще кого-нибудь рядом.
Это прям совсем не то, что ты ждешь от «защитного» компонента.
В англоязычной литературе этот эффект называется follow current.

Такую ситуацию можно предотвратить, установив варистор последовательно с разрядником.
Варистор изменяет своё сопротивление в зависимости от напряжения, а значит, когда напряжения пройдёт, варистор закроется, прекратив пропускать ток и дуговой разряд не сможет продолжить свое существование.
(пример схем на картинке ниже)

Кстати говоря, интересно, что некоторые производители, такие как Bourns, EATON и TDK, предлагают компоненты, в которых уже интегрированы GDT и варисторы. Кто его знает, может через несколько лет все эти знания про follow current и не пригодятся.

Супер жиза.
Это конечно очень логично и правильно, проверять свой дизайн с точки зрения ЭМС до прохождения тестов, но в реальности почему-то выходит как на картинке.

🤡 - если жиза

Картинка взята у emibuster.com

Разработка – это постоянная череда принятия маленьких решений.

В особо активные моменты, такие как трассировка платы, принятие решений может протекать весь день.
Ты просто сидишь в потоке мыслей типа: «так, здесь будет протекать до 5 ампер, провести полигоном или дорожкой, провода припаивать на SMD пад или в отверстие, пусть будет отверстие, провод ставить 0.5мм2 впритык или 0.75мм2 с запасом, места на плате мало поэтому пусть будет 0.5мм2, а сколько ему поясок для пайки оставить, так если отверстие 0.5мм, то плюс 0.25 для пайки вроде норм, итого 1мм весь пад, вроде помещается..»

Нигде не заметили ошибку?

Наверняка, если к вам на улице подойти с прямым вопросом «какой диаметр у круга с площадью Х?», то вы вспомните, что площадь поперечного сечения не равна его диаметру.
Но в потоке мыслей это понимание легко теряется и на автомате можно поставить между ними знак равенства.

Обычно, если такое все-таки происходит, то это легко исправляется, а порой даже и вовсе не замечается: достаточно при зачистке провода нажать на инструмент чуть сильнее, чтоб вместе с изоляцией откусилось еще несколько жил и вуаля! Провод спокойно влезает.

Но у моих коллег однажды звезды сошлись иначе: провод обжимался в наконечник и должен был впаиваться в плату.
Из-за описанного выше искажения, диаметр отверстия оказался меньше диаметра наконечника, и он ну прям никак не впихивался. Вскрылось это в самый последний момент, когда сроки уже поджимали, нужно срочно собирать десяток образцов, а времени нет ни на переделку платы, ни на закупку новых наконечников.

С помощью напильника и какой-то матери мы смогли уровнять их между собой, но моим коллегам это показалось не слишком творческим эффективным и они начали соревноваться между собой в наиболее оптимальном способе доработки.

Вам какой больше всех нравится?

Помните эти линейные трансформаторы, которые понижают или повышают входное переменное напряжение пропорционально виткам на первичной и вторичной обмотках?
Раньше они постоянно использовались в блоках питания, пока не были вытеснены импульсными преобразователями.

Из-за этого я думал, что линейные трансформаторы — это уже какой-то архаизм, но недавно узнал, что у них всё ещё есть своя ниша.

А именно, в высоковольтных применениях, где по сравнению с импульсными источниками они превосходят по изоляции между обмотками, надежности и максимальной мощности.
Пишу это и вспоминаю трансформаторные будки, которые трансформируют киловольты в наши любимые 220 В переменного тока.

Говорят, что линейные трансформаторы ещё используют в премиальной аудиотехнике, так как от них меньше шумов. Но мне кажется, что со временем и там импульснники их заменят.

Канал Hi Dev, кстати, рекомендую. Хорошие и простые объяснения, особенно в видосах ~1 годичной давности.

Tomasz Chumięcki в LinkedIn:
«Я немного изменил стиль своих посадочных мест на PCB или, если быть точнее, сами площадки, сделав их ещё более закругленными.

После первой пайки оплавлением я заметил, что компоненты, кажется, лучше выравниваются на таких площадках и в целом пайка получается лучше. Также гораздо меньше проблем с оловянными шариками, которые остаются после пайки.»

Я не в первый раз слышу или вижу, что скругленные пады делают процесс пайки лучше, но какого-то пруфа, который можно использовать при конструктивном споре, никогда не находил.
Может кто-то из читателей сталкивался со статьями или white papers на эту тему?

Мой гуглинг обычно приводит на какие-то форумы, реддит или западные аналоги мэйл.ответов.

В предыдущем посте были разные комментарии на тему скругления падов, а тут я хочу процитировать самый интересный коммент касательно скругления и пайки, который я нашел тут:

«В целом, сложно добиться угла в 90 градусов при производстве с использованием процесса травления. Это относится как к самой печатной плате (PCB), так и к её трафарету (если используются вытравленные или лазерные трафареты). Углы всегда в какой-то степени закруглены. Этот эффект менее заметен на больших площадках.

Часть проблемы с прямоугольной площадкой заключается в том, что прямоугольное отверстие в трафарете затрудняет нанесение паяльной пасты в углы площадки. Если вы когда-либо использовали трафарет и вручную наносили пасту (например, на прототипной плате от PCB Pool или аналогичных), то иногда можно заметить «воздушные карманы» или пропуски в покрытии пастой некоторых площадок.
Эти пропуски обычно находятся в углах.
Такое может произойти и на автоматической пастонакладывающей машине.

Результатом становится меньшее количество пасты на площадке, и когда она плавится, обычно припой стекает в угол, где поверхностное натяжение сильнее. Это тянет больше припоя от центра, и результатом могут быть менее оптимальные боковые галтели на конечном соединении.

Безсвинцовый припой требует более высокой температуры для плавления, и, когда он плавится, он не течёт так хорошо, как свинцовый. Возможно, это связано с тем, что флюс испаряется при обычных температурах, оставляя более сухой припойный сплав при плавлении.
Это приводит к тому, что больше припоя скапливается в центре, что вызывает менее оптимальные галтели на heel/toe.

Закругленные площадки используются для уменьшения этой проблемы.
Это приводит к уменьшению размеров площадки, что снижает требования к контролю и точности в процессе травления, но также уменьшает количество пасты на площадке.

В то же время, информации о реальных различиях в производительности между этими вариантами не так много, поскольку IPC не имеет документации по закруглённым площадкам, а большинство рекомендуемых производителями посадочных мест используют прямоугольные площадки.

Большинство компаний, которые изучали эту проблему, делали это потому, что их внутреннее качество сборки в поверхностном монтаже могло быть улучшено. Дизайнеры оптимизировали размеры закругленных площадок в сотрудничестве с их сборочным цехом.
Не уверен, насколько повышение производительности связано с закругленными площадками и насколько — с тем, что их оптимизировали методом проб и ошибок. Например, можно было бы добиться той же производительности, оптимизируя прямоугольные площадки.

На самом деле, IPC рекомендует каждому производителю оптимизировать размеры посадочных мест (сгенерированные по формулам IPC) под свой производственный процесс.»

«Иногда самые важные вещи в даташите пишутся мелким шрифтом» или очередная история о дебаге.

Мы разрабатывали устройство, в котором был Ethernet и микропроцессор с Линуксом внутри. Часть железа была давно отлажена, а вот с софтом вечно что-то не клеилось. Ethernet подняли за счет каких-то костылей и запускался он очень нестабильно. Но если всё-таки запускался, то работал нормально.

И вот программисты работали-работали, заказчик ждал-ждал, сроки затянули-затянули и за пару дней до обещанного релиза программисты наконец-то фиксят тот самый костыль. Ethernet работает намного лучше, но всё-таки иногда не включается.

Проблемы программистов электронщиков беспокоят мало, но ровно до тех пор пока к ним не приходят со словами: «А вот на одной плате он во всех 100% случаях запускается, а на двух других с той же самой прошивкой – как попало🤷‍♂️».

И вот тут уже не отвертеться…

Итак, что мы вообще имеем?

1. Микропроцессор начинает работать не сразу, а через какое-то время после подачи питания. Ему требуется время чтоб выполнить загрузку Линукса.
.
2. Клоки для работы Ethernet-микросхемы предоставляет также процессор после завершения загрузки.
.
3. Ethernet начинает работать после того, как процессор и ETH трансивер смогли подружиться.
.
4. В 20% - 30% случаев после включения, Ethernet не начинал работать, иными словами, не запускался.
.
5. При этом на одной единственной плате, с точно таким же железом и точно таким же софтом, всё работало в 100% случаев.

Дело пахнет какой-то плавающей фигнёй…
Очень неприятный вид проблем, который трудно отследить, структурировать, систематизировать и пофиксить.

Первым делом я полез смотреть есть ли вообще клоки и как они себя ведут. Спустя некоторое время я заметил, что если включать плату, постоянно держа щуп осциллографа на пине с клоками, то всё начинает работать в 100%. Я начал проводить всякие эксперименты, чтоб сымитировать влияние щупа: ставил разного номинала резисторы, конденсаторы поверх, но моё время сэкономил коллега, задавший вполне резонный вопрос «а ты пробовал сделать резет трансивера?».

Резет трансивера сделать не так-то уж просто, но пока разбирались нашли в даташите замечательную осциллограмму и сноску: «Clock shall be available at power ramp. If Clock is provided after power ramp, external Reset of PHY is needed once clock is available». По-русски говоря, если сразу после подачи питания клоков нет, то после их появления нужно сделать резет.

Программисты запросили электрическую схему только через месяц работы над проектом, поэтому ожидать что они читали даташит, особенно, сноски, написанные мелким шрифтом, было наивно.

Видимо, внутри самой микросхемы трансивера на аппаратном уровне есть некоторая нестабильность, которая внесла такую смуту между разными платами.

В итоге, резет после запуска Линкуса действительно помог, Ethrenet стал запускаться во всех случаях, а я выучил для себя новое правило: «В непонятной ситуации сначала попробуй сделать резет».

Интересную мысль услышал в ютуб-видео о разработке Gigabit Ethernet.

Как известно, чаще всего Ethernet физика (микросхема Ethernet приемо-передатчика) и хост (микропроцессор/микроконтроллер) общаются между собой через какой-нибудь скоростной RGMII интерфейс.

Хост очень часто бывает в BGA корпусе, а значит что RMII сигналы нужно выводить с топа на какой-то внутренний слой. И вот вопрос: на какой? На тот, что ближе к Топу? Или на тот, что дальше к Боттому?

Интуитивно в таких случаях хочется вывести ближе к Топу. Контринтуитивно - ближе к Боттому.

Так вот, если мы используем VIA для перехода с Топ слоя на Мид слой, то часть VIA между Мид слоем и Боттомом - это фактически кусок паразитной емкости. На английском это называется VIA Stub. Чем меньше длина VIA Stub, тем меньше ее влияние на сигнал. Соответственно лучше выводить ближе к Боттому.

Но вообще, уровень влияние VIA Stub на ваш сигнал, можно оценить, зная толщину платы и частоту сигнала. Далеко не факт, что в вашем случае это будет иметь какое-то значение.

#Статья о различиях между электрической схемой и реальностью.

Вторая часть из цикла, посвящённого земляным петлям. Сравниваем электродинамику и теорию цепей, разбираемся, что измеряет вольтметр.

https://brs.im/ground-loops-ru-2/

#Статья про акустический шум электроники

Почему печатная плата издаёт звуки и как это исправить

https://brs.im/acoustic-noise/

Недавно на собственном опыте узнал, что работая с девайсами, которые питаются от розетки с 230В, нельзя просто взять и тыкнуться в схему осциллографом.

Можно повредить осциллограф, девайс или что-то еще, в зависимости от того что и как подключено.

На Хабре есть очень хорошая статья, которая подробно описывает суть проблемы и способы использования осциллографа.