Routing-Überlegungen für einen Buck-Konverter

Ich möchte einen einstellbaren Ausgangs-Abwärtswandler mit den folgenden Anforderungen bauen:

• Ausgang 1,25-15V
• Eingang 20-24V
• Maximaler Strom 5A (mit Begrenzung)
• Maximale Ausgangswelligkeit 100 mV (vorzuziehen, aber weniger wichtig)
• Leiterplattenfläche von 50x50mm

Mit dem Datenblatt LM5085 IC: glaube ich, dass ich ein Design habe, das funktionieren wird. Das Design, für das ich mich entschieden habe, ist das Schema der "typischen Anwendung" auf Seite 1 des Datenblattes mit dem Zusatz eines Messwiderstands: Ich bin ziemlich sicher mit meiner Auswahl der Werte für die Komponenten, indem ich nur den Gleichungen im gesamten Datenblatt folge (Anmerkung: und werden keine Werte angezeigt, da sie für die Anforderungen zukünftiger Projekte mit unterschiedlichen Kondensatorpaketbeschränkungen vorgesehen sind.$C_{OUT1}$$C_{OUT2}$

HINWEIS : Ich habe die Berechnung der Komponentenwerte nicht berücksichtigt, da dies nicht Gegenstand der Frage war. Die Werte sind jedoch im schematischen Diagramm zu sehen. Wenn sie aus irgendeinem Grund benötigt werden, kann ich alle meine Arbeiten bearbeiten.

Meine erste Frage bezieht sich auf , wie im Entwurfsbeispiel auf Seite 18-19 des Datenblattes gezeigt. Der Stromgrenzwertkomparator- Offset und die ADJ-Pin-Sink-Toleranz können dazu führen, dass der tatsächliche Stromgrenzwert irgendwo in einem ziemlich großen Bereich liegt. Gibt es ein Problem, wenn ich als offenen Stromkreis , eine Ausgangslast anschließe, die ~ 6A zieht, und dann den Wert des Trimpots bis der Strom auf 5A begrenzt ist?$R_{adj}$$R_{adj1}$$R_{adj2}$

Der Rest meiner Fragen bezieht sich auf das Layout der Tafel. Dies ist meine erste Leiterplatte mit höheren Frequenzen und größeren Strömen, daher erwarte ich viel zu lernen. Anhand des Layoutbeispiels auf Seite 23, dieses Handbuchs sowie anderer Fragen zum Routing mit hohen Frequenzen, hohen Strömen und zum Routing um Induktoren habe ich folgendes Verständnis:

1. Schleife1 muss minimiert werden:$D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. Schleife2 muss minimiert werden:$C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. Die Verbindung von zum ISEN-Pin muss eine Kelvin-Verbindung sein$R_{sns}$
4. Vermeiden Sie nach Möglichkeit alle Spuren und Güsse, die unter dem Induktor verlaufen, um das induzierte Rauschen / den Strom zu minimieren
5. Hochstromführende Spuren müssen dick und kurz sein
6. Halten Sie Rückkopplungsspuren von Induktivitätsspuren und anderen verrauschten Spuren fern
7. Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Verwendung von Durchkontaktierungen für hohe Schaltsignale

In diesem Sinne wird mein erster Versuch unten gezeigt. Es ist anzumerken, dass die maximale Schaltfrequenz (die bei auftritt) ca. 420 kHz beträgt. Als Referenz ist die Dicke der Spuren: N $ 6 ist 1,68 mm (wird wahrscheinlich dicker gemacht, da viel Platz vorhanden ist), VOUT zum Ausgangsanschluss J4 ist 3 mm und kleine Signalspuren sind 0,254 mm. Die Verwendung des Online- Trace- Breitenrechners ergibt einen Temperaturanstieg von ~ 23 ° C auf den 1,68-mm-Traces.$V_{out}=max$

Dies ist nicht das neueste Design, es bleibt hier zum Geschichtenerzählen übrig, siehe BEARBEITEN Anzeigen der Größe der Loops:

Die Hauptanliegen, die ich habe, sind:

• Befinden sich diese Spurdicken im richtigen Stadion?
• Ich habe die Schleifen so gut wie möglich minimiert, aber wenn es ein schlechter Job ist, lass es mich wissen
• Die beiden Durchkontaktierungen unter dem LM 5085 sind erforderlich, um den Eingangsanschluss J3 mit dem GND-Guss der obersten Schicht zu verbinden. Die einzige Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, stattdessen Durchkontaktierungen auf dem FB-Trace (von CFF zum LM5085) zu verwenden, damit ein Trace der obersten Schicht von J3 zur Grundebene der obersten Schicht verlaufen kann. Ich habe nicht für die im aktuellen Layout entschieden , weil es , dass die FB Spur Bedürfnisse erforderlich ist , von Lärm, 7-c Abbildung auf die oben erwähnten Layout Führung ferngehalten werden hier jedoch nicht von Vias nutzt so vielleicht ist dies eine Möglichkeit? Was sollte meine Priorität hier sein? direkte FB-Verbindung auf einer Schicht oder Verbindungsmasse zum Eingangsanschluss ohne Durchkontaktierungen?
• Das Gate-Signal enthält auch 2 Durchkontaktierungen, damit die Masseebene die Eingangskondensatoren und die Diode erreichen kann. Die Alternative wäre, sie nur als Spur der oberen Schicht zu verwenden und ein Via zu verwenden, um die Kondensatoren mit dem GND-Guss der unteren Schicht zu verbinden. Was ist hier schlechter für die Leistung? Eingangskappen über Via / s an GND anschließen oder zwei Durchkontaktierungen an einem Signal mit 420 kHz haben?
• Gibt es noch etwas, das ich übersehen habe oder das ich nur verbessern könnte?

Ich weiß, dass dies eine längere Lektüre war. Vielen Dank für jede Hilfe und Anregungen. Ich werde die Ergebnisse veröffentlichen, wenn das Geld fertig und getestet ist!

BEARBEITEN 1

Nachdem ich mir das Layout der verknüpften Evaluierungsplatine angesehen habe, habe ich die Platine überarbeitet und versucht, nur die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen: Das ursprüngliche Schaltbild wurde auf ein neues Setup aktualisiert. Ich verwende jetzt die Konfiguration "Reduzierter Welligkeitspegel".

Komponentenänderungen:

• $C_{out}$ sind jetzt Keramik
• Der Induktor ist jetzt SMD und hat eine kleinere Gehäusegröße
• Veralteter Trimpot beseitigt ( )$R_{FB1}$
• Die Werte für geändert und enthalten jetzt die Bypass-Obergrenze$C_{in}$
• Das Paket von Q1 in to220 wurde geändert, um einen besseren Kühlkörper zu ermöglichen (gemeinsam von D1).

Ansprache an @Ali Chen Re: "Was ist der Zweck des Entwurfs? Für 1,25 V gibt es ein ganz anderes Optimum als für 15 V Ausgang"

Der Zweck besteht darin, ein SMPS zu erstellen, das ähnlich wie eine Tischversorgung funktioniert, jedoch in einem größeren Projekt enthalten sein kann. Sie haben Recht, dass der optimalste Satz von Komponentenwerten für verschiedene Ausgaben unterschiedlich ist, aber für meinen Zweck reicht es aus, dass das Projekt funktioniert. Das Erreichen der maximalen Effizienz / minimalen Welligkeit der Ausgabe usw. ist nicht meine Priorität.

Meine Denkweise für Komponentenwerte (und bitte korrigieren Sie mich, wenn dies falsch ist) bestand darin, Excel zu verwenden, um Kennzahlen über den Ausgangsbereich von 1,25-15 ( usw.) und vergleichen diese dann mit den (z. B. ), um Komponentenwerte zu finden, die für alle Ausgänge funktionieren würden. V F B ( r i p p ) > 25 m $V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$$V_{FB(ripp)} > 25mV$

Ich würde mich über Feedback zu diesem neuen Design freuen. Meine neuen Anliegen sind:

• Sind die Kelvin-Verbindungen auf akzeptabel?$R_{sns}$
• Thermik gegen keine Thermik? Das Layout auf dem Evaluierungsboard verwendet keine Thermik, ich habe sie für die meisten Verbindungen verwendet. Wird dies in Ordnung sein, solange die Kombination aller Spuren, die in das Pad eingehen, den Strom verarbeiten kann?
• Irgendwelche anderen Gedanken?

BEARBEITEN 2

Nach dem Rat von @winny habe ich die Größe des Layouts reduziert, indem ich D1 und Q1 hintereinander montiert habe. Es wurde auch vorgeschlagen, Cin näher an Q1 heranzuführen, also habe ich dies versucht. Cin1 ist die ursprüngliche Position des Elektrolyten, die durch das Layout der Evaluierungsplatine bestimmt wird . Cin4 ist mein Versuch, es näher zu bringen. Ist dies eine bessere Position dafür? Oder befindet sich das Bodenterminal jetzt zu weit von den Schleifen entfernt? Zuletzt wurde die Wirksamkeit der Verwendung eines Elektro bei Frequenzen bis zu 420 kHz in Frage gestellt. Diese Karte hat einen Ausgang von 1,25-15 V, was bedeutet, dass ihre Frequenz tatsächlich irgendwo im Bereich von 40-420 kHz liegt. Ich erwarte daher, dass der Elektro die Welligkeit an den unteren Ausgängen verringert. (Erwägen Sie auch, den Frequenzbereich auf 20-200 kHz einzustellen.)

Ihre Frage ist äußerst vage, weshalb wahrscheinlich niemand darauf geantwortet hat.

Ich gehe also davon aus, dass Sie beabsichtigen, dass Ihre Frage mehr oder weniger diese beiden spezifischen Fragen sind:

1. Wird es funktionieren?

Nein, es wird aus Gründen, die für Ihr Layout nicht relevant sind, nicht funktionieren.

Sie sind in die verständlicherweise übliche Falle geraten, "einstellbar" mit "variierend / variabel" zu verwechseln. Ein einstellbarer Ausgangsregler bedeutet, dass Sie anstelle einer festen Ausgangsspannung die feste Ausgangsspannung einstellen können, auf die geregelt werden soll. Es gibt keine Implikation dafür, dass es in einer Anwendung mit variierender Ausgangsspannung gut oder überhaupt funktioniert . Variieren bedeutet natürlich, dass die geregelte Ausgangsspannung während des Betriebs variiert. Alle einstellbaren Mittel sind, dass Sie einen festen Ausgang einstellen können. Es ist noch während des Betriebs behoben. Aus diesem Grund haben alle Beispiele im Datenblatt sowie die Bewertungskarte feste Ausgänge.

Der Begriff "einstellbar" impliziert nun auch nicht, dass er nicht in einer Anwendung mit variierender Ausgabe verwendet werden kann. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass es keinen Grund zu der Annahme gibt, dass Sie die Leistung während des Betriebs variieren können, wenn ein Teil einstellbar ist, oder dass das Teil dafür vorgesehen oder ausgelegt ist. Das müssen Sie Teil für Teil feststellen.

Sie haben einen hysteretischen Regler mit konstanter Einschaltdauer (COT) ausgewählt, der eine gute Wahl für eine unterschiedliche Leistung ist, aber dieser Teil wurde nicht für diesen Zweck entwickelt. COT-Steuerungen reagieren extrem empfindlich auf Rauschen in ihrem Rückkopplungspfad. Normalerweise verfügt ein COT, das für eine variable Ausgabe ausgelegt ist, über einen dedizierten Steuerstift, der sich nicht direkt im Rückkopplungspfad befindet, wodurch ein Großteil dieser Empfindlichkeit verringert wird (die spezifischen Mittel hängen vom Teil ab). Es gibt keinen solchen Stift am LM5085.

Dies ist wichtig, da ein COT-Controller es mit ziemlicher Sicherheit NICHT toleriert, wenn ein lauter Carbonwischer mechanisch buchstäblich mehr Kohlenstoff mit Fingerabfällen und Katzenresten (oder was auch immer) abkratzt, die sich auf die Wischeroberflächen ausgewirkt haben. Ein hysteretischer Regler ist im Kern ein Komparatoroszillator, der eine extrem hohe Verstärkung aufweist und durch Rauschen beeinflusst wird, das in einem gängigeren Strommodus-Fehlerverstärker nicht einmal registriert werden würde. Es würde wahrscheinlich nicht einmal ein Potentiometer tolerieren, das nur dort sitzt, ohne während des Betriebs eingestellt zu werden. Wenn Sie es so weit entfernt platzieren, dass es nicht kapazitiv oder absorbierend (wie bei einer Antenne) an Ihren Switch-Knoten gekoppelt wird, sind Ihre Spuren ohnehin zu lang und wirken als wunderbare Selbst-EMI-Aufnahmeantennen.

Wenn Sie die Leistung dieses Controllers variieren möchten, müssen Sie dies ohne lautes elektromechanisches Material (keine beweglichen Teile erlaubt!) Oder ohne Änderung des tatsächlichen Widerstands des Rückkopplungspfads tun. Sie müssen eine Strominjektion verwenden, wahrscheinlich mit einem Stromausgangs-DAC. Ja, das ist eine große Aufgabe. Nein, daran führt kein Weg vorbei. Es ist das oder Sie haben einen traditionelleren PWM-Controller im aktuellen Modus gewählt.

Es ist erwähnenswert, dass das Einspeisen von Strom nicht spezifisch für COTs ist, sondern als sehr effektive, zuverlässige und rauscharme Methode zum Variieren der Ausgangsspannung eines beliebigen Controllers verwendet werden kann, indem es linear, PWM, hysteretisch usw. ist. Es ist ziemlich universell.

Und das ist wirklich unglaublich dummes Glück, es gibt tatsächlich einen TI-Blog-Beitrag, der demonstriert, genau das zu tun, was ich mit Ihrem genauen Teil beschrieben habe! Yay!

Zweite Frage:

2. Welche Richtlinien sollten Sie beim Auslegen eines Tiefsetzstellers beachten?

Sie sorgen sich also hauptsächlich um die falschen Dinge oder um Dinge, die nicht sehr wichtig sind, und um die Dinge, die Sie tun.

Zunächst einige kurze Anmerkungen:

1. 5A ist kein wirklich hoher Strom, und Ihr Ausgangsstrom zeigt nicht wirklich viel darüber an, welche Ströme in einer Schaltung auftreten werden. In einem Tiefsetzsteller tritt im Allgemeinen in bestimmten Bereichen ein Vielfaches des Ausgangsstroms auf.

2. Nichts auf Ihrem Board ist Hochfrequenz / höhere Frequenz. Hochfrequenz im Kontext des Layouts beginnt bei Hunderten von Megahertz und höher. Nichts, was in Kilohertz gemessen wird, liegt innerhalb von zwei Größenordnungen der Hochfrequenz.

3. Ich denke, Sie verwechseln das durch dV / dT induzierte Klingeln und Ihre Schaltfrequenz. Wenn verschiedene Layout-App-Hinweise für Umschalter über hohe Frequenzen sprechen, hat dies nichts mit Ihrer Umschaltfrequenz zu tun. In der Tat klingelt der gleiche Wandler bei 400 kHz bei den gleichen Frequenzen wie bei 40 kHz.

Das hochfrequente EMI / Rauschen, über das gesprochen wird, hängt von der Anstiegszeit dV / dT Ihrer Schalter (in Ihrem Fall MOSFET und Diode) und den parasitären Induktivitäten und Kapazitäten Ihres Schaltknotens ab. Denken Sie daran, Sie haben eine parasitäre Kapazität von allem zu allem (wenn sich dazwischen ein Dielektrikum / Isolator befindet), und alles, was leitend ist, ist auch ein Induktor. Was bekommen Sie, wenn Sie einen Kondensator oder Induktor in Reihe oder parallel haben oder sich nur lustig ansehen? Ja, Sie erhalten einen LC-Resonanztank. Normalerweise ist die parasitäre Kapazität zu klein, um eine Rolle zu spielen, aber die Eingangskapazität Ihres MOSFET sowie die Eingangskondensatoren, die Dutzende von Ampere direkt durch den MOSFET in Ihren Schaltknoten leiten, der mit einer Leitung des Induktors verbunden ist ... sie auf jeden Fall wichtig. Und sie'

Meistens bleiben sie unbemerkt, weil es einen unglaublich schnellen Schlag braucht, um eine solche Glocke zu läuten. Leider ist unser MOSFET ziemlich ideal, um diese Glocke zu schlagen und zum Klingeln zu bringen. Je schneller die Anstiegszeit ist, desto lauter und höher ist die Frequenz des Rings. Sie können es 40.000 Mal pro Sekunde oder 400.000 Mal pro Sekunde einschalten, aber es schaltet sich jedes Mal so schnell und so hart ein, egal wie oft Sie den Schalter pro Sekunde betätigen. Das meine ich damit, dass Ihre Schaltfrequenz nicht relevant ist.

Bei einem Abwärtswandler ist Ihr Hauptanliegen der Eingang , nicht der Ausgang. Vor allem möchten Sie Ihre Eingangskondensatoren so nah wie möglich am High- und Low-Side-Schalter platzieren. Dies ist Ihr Vermittlungsknoten. Derjenige, der klingelt. Und nah wie möglich bedeutet so nah wie möglich. 1 Nanohenry macht einen bedeutenden Unterschied. Ja, 1 Nanohenry. Jeder Millimeter zählt.

Sie möchten auch, dass die Erdung Ihrer Ausgangskondensatoren so nah wie möglich an der Erdung Ihrer Eingangskondensatoren liegt. Dies ist jedoch zweitrangig und muss optimiert werden, ohne dass die Nähe der Eingangskondensatoren zu Ihren Schaltern beeinträchtigt wird. Abwärtswandler saugen große, aber kurze Stromschlucke am Eingang ab, der der langsameren induktiven Stromrampe vorausgeht, die einen Zyklus unseres Welligkeitsstroms ausmacht.

Natürlich müssen diese TO-220-Teile weg. Das Blei und der Bonddraht fügen wahrscheinlich allein 5 Nanohenries hinzu! Sie benötigen ein schönes oberflächenmontiertes Paket mit Drain / Source-Induktivitäten, die in Hunderten von Picohenries gemessen werden. Nicht irgendein sperriger TO-220, der genauso gut ein Wolkenkratzer sein könnte, wenn man bedenkt, wie hoch und weit er auf diesen Leitungen steht. Millimeter verschwendet.

Oh, und die einzigen Kondensatoren, die wichtig sind, sind Ihre Keramiken. Elektrolyte haben zu viel ESL, sie sind bei 100 kHz oder 150 kHz vollständig resistiv, wenn Sie Hochfrequenztypen verwenden, und können den Welligkeitsstrom nur filtern, selbst wenn die Frequenz niedrig genug ist. Erinnern Sie sich, wie schnell und hart sich dieser MOSFET einschaltet? Die Elektrolyse ist nicht in der Lage, die Ladung bei den Nanosekunden-Anstiegszeiten, die der Schalter erfordert, abzuleiten. Ihre Induktivität verhindert dies. Obwohl sie noch nicht einmal das erste Ladungspaar von ihren Platten gelöst haben, hat dieser Schalter Ihre Spannung gesenkt (ohne dass ein kapazitiver Puffer reagieren kann) und Ihre Schaltwelligkeit hat alles zurückgeschossen, was sie mit Strom versorgen Ihr DC / DC-Wandler. Bei niedrigen Frequenzen gibt es diese hochfrequenten Harmonischen, die effektiv ungedämpft durch die Elektrolyse laufen.

Elektrolyte sollen Niederfrequenzabfälle glätten und eine große Massenentkopplung bewirken. Sie sind jedoch in der Nähe Ihrer primären Schaltschleife nutzlos und sollten auch bei niedrigeren Frequenzen einen Keramikkondensator vor sich haben, der Ihrem Schaltknoten am nächsten liegt.

Keramik ist das einzige, was Kapazität hat, was das Rauschen betrifft, über das Sie sich Sorgen machen müssen (zumindest von einem Umschalter).

Jetzt wird keines dieser Dinge notwendigerweise verhindern, dass Ihre Schaltung funktioniert. Und dies ist keine vollständige oder detaillierte Anleitung, aber ich beantworte wieder eine vage Frage und kann daher nur vage Antworten geben. Hoffentlich erhalten Sie dadurch ein besseres Bild davon, was gerade passiert, und sollten als guter Ausgangspunkt dienen, um weiter zu lernen.

Ich kann diese Frage später bearbeiten und eine ausführlichere Liste hinzufügen, aber ich muss erst einmal ins Bett gehen. Es tut uns leid!