Layout-Ratschläge für LDOs

Ich entwickle eine vierschichtige Platine, die mit 3 Spannungen betrieben wird - 1,8 V, 3,3 V und 5,0 V. Das Board hat den folgenden Stackup:

1. Signale
2. Boden
3. 3,3V
4. Signale

Der Boden und die 3,3-V-Ebene sind völlig ungebrochen. Auf ihnen wird kein Signal oder keine Stromspur übertragen.

Ich verwende drei LP38690DT-LDOs, um Strom zu liefern - hier ist meine Schaltung.

Klicken Sie hier für ein größeres Bild.

Mein Anliegen ist das Layout für diese Geräte. Das Datenblatt schlägt Folgendes vor

Der beste Weg, dies zu tun, besteht darin, CIN und COUT in der Nähe des Geräts mit kurzen Spuren zu VIN, VOUT und Erdungsstiften auszulegen. Der Regler-Erdungsstift sollte mit dem externen Stromkreis> Masse verbunden werden, damit der Regler und seine Kondensatoren eine "Einzelpunkterdung" haben.

Der Begriff "Single Point Ground" hat mich etwas verwirrt, aber ich habe versucht, den Ratschlägen im Datenblatt nach besten Kräften zu folgen - aber ich bin mir nicht sicher, ob ich richtig bin:

Beachten Sie, dass der rote Text nur dazu dient, den Leuten hier Klarheit zu verschaffen - ich werde ihn anschließend löschen. Jeder Regler ist direkt mit den Kondensatoren verbunden, und der Erdungsstift des Reglers ist direkt mit dem Erdungsstift des Kondensators verbunden. Bedeutete das, was das Datenblatt bedeutete, dass ich tun sollte?

Das Datenblatt fährt fort zu sagen

Da ein hoher Strom durch die Spuren fließt, die in die VIN gehen und von VOUT kommen, verbindet Kelvin die Kondensatorkabel mit> diesen Pins, so dass kein Spannungsabfall in Reihe mit den Eingangs- und Ausgangskondensatoren auftritt.

Was bedeutet Kelvin Connect? Ich weiß, was eine Kelvin-Verbindung ist - was ich nicht verstehe, ist, was es im Kontext für ein LDO bedeutet.

Meine dritte Frage betrifft alle drei Regulierungsbehörden. Wie bereits erwähnt, bezieht sich jeder IC auf dieselbe Erdung, über die seine Kondensatoren mit der Erdungsebene verbunden werden. Sollte ich jedoch alle drei Regler an denselben Erdungspunkt anschließen, dh sollten alle drei Regler an den "einzelnen Erdungspunkt / Via" angeschlossen werden?

Schließlich wird die Eingangsspannung von einem 4-Punkt-Durchgangslochverbinder gespeist, der 6 V an zwei Leitern und GND an den anderen beiden führt. Die GND-Pins sind direkt mit der Masseebene verbunden. Ist das in Ordnung oder sollte ich die GND-Pins über dicke Leiterbahnen direkt mit den GND-Pins der Regler verbinden?

HINWEIS: Das Layoutbild zeigt nichts, was mit dem Ausgang der Regler verbunden ist. Das ist in Ordnung. Ich muss meine ICs noch an die Stromversorgung anschließen. AUCH: Die kastanienbraune Farbe unter den Reglern ist kein Netz. Auf diese Weise zeigt Altium "Räume" im Leiterplattenlayout an.

AKTUELLE ANFORDERUNGEN

Der größte Teil des Stroms wird aus der 5-V-Versorgung entnommen. Die 5-V-Versorgung wird an ein LCD-Display angeschlossen, das max. von 400mA (wenn die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet ist) - aber normalerweise um 250mA.

Die 3,3-V-Versorgung zieht max. von 300 mA (diskontinuierlich), aber normalerweise um 150 mA oder weniger.

Die 1,8 V sind die Versorgung für den Kern der CPLDs, über die mein Board verfügt. Ich konnte das nicht abschätzen, aber ich habe es gemessen. Beim Start waren dies etwa 30 mA, wurden dann aber auf 0 mA reduziert. Mein Messgerät war anscheinend nicht empfindlich genug, um den Strom tatsächlich zu messen. Ich denke, 200 mA wären eine sichere Wette dafür.

AKTUALISIERTES LAYOUT:

Ich hoffe, das haben die Leute hier gemeint. Ich war mir nicht sicher, ob ich ein großes Kupfer oder drei separate Gießen sollte, also ging ich mit drei separaten.

AKTUALISIERTES LAYOUT (wieder):

Ich habe jetzt einen riesigen Kupferguss anstelle von drei unabhängigen gemacht. Ich war mir nicht sicher, wie ich meine 3,3-V-Spannung über mehrere Durchkontaktierungen an mein Power-Flugzeug anschließen sollte. Daher ist das oben Genannte mein Versuch. Ich machte eine kleine Füllung und schloss sie direkt an meinen Ausgangskondensator an. Von dort habe ich 4 Durchkontaktierungen mit einer Größe von jeweils 25 Millimetern, die direkt mit meinem Motorflugzeug verbunden sind. Ist das ein besserer Weg, es zu tun?

Der Abstand zwischen den Füllungen und anderen Objekten beträgt ca. 15 Mühlen. Soll ich das erhöhen?

Aber insgesamt überdenken Sie die Bedeutung der GND. Es ist wichtig, versteh mich nicht falsch. Es ist nur so, dass es andere Dinge gibt, die genauso wichtig sind, und es ist relativ einfach, die GND richtig zu machen.

Sie haben die Spannungen angegeben, Sie haben den Strom nicht angegeben. Ohne den Strom zu kennen, kennen wir die von den LDOs erzeugte Wärme nicht. Und die Hitze wird die Anordnung der Leiterplatte stark beeinflussen. Ich gehe davon aus, dass die erzeugte Wärme nicht trivial ist.

Folgendes würde ich tun ...

1. Drehen Sie die Kappen um 90 Grad (manchmal im Uhrzeigersinn, manchmal gegen den Uhrzeigersinn). Was Sie tun, ist, die GND-Stifte der Kappen zusammenzusetzen und den Abstand zwischen dem GND des LDO und den Kappen zu verkürzen.
2. Machen Sie alle Ihre Spuren breiter. Mindestens so breit wie das Pad, mit dem es verbunden ist. Verwenden Sie mehrere VIAs, wenn Sie können.
3. Setzen Sie die + 6v-Spuren "woanders". Entweder auf der Rückseite der Leiterplatte oder rechts von den LDOs. Dies wird in Kürze Sinn machen.
4. Legen Sie eine Kupferebene auf die oberste Schicht unter und um das Ganze. Verbinden Sie diese über mehrere VIAs mit der GND-Schicht. Ich würde ungefähr 10 Durchkontaktierungen pro LDO verwenden, hauptsächlich um den riesigen GND-Pin herum. Der GND-Pin sowohl der LDOs als auch der Kappen sollte DIREKT ohne "thermische Entlastung" mit dieser Ebene verbunden werden. Dieses Flugzeug sollte einigermaßen groß sein, obwohl die genaue Größe vom verfügbaren Platz und der Wärmeabgabe der LDOs abhängt. 1 oder 2 Quadratzoll pro LDO ist ein guter Anfang.

Es gibt zwei Gründe für die Kupferebene. 1. Es gibt die Wärme vom LDO irgendwo ab, um abgeführt zu werden. 2. Es bietet einen niederohmigen Pfad zwischen den Kappen und dem LDO.

Der Grund für alle Durchkontaktierungen ist: 1. Dadurch kann ein Teil der Wärme auf die GND-Schicht übertragen werden. 2. Es bietet einen niederohmigen Pfad vom LDO zur GND-Schicht.

Und der Grund für die dickeren Spuren und mehreren Durchkontaktierungen ist einfach ein Pfad mit niedrigerer Impedanz.

Ich werde Sie jedoch warnen: Wenn Sie dies tun, wird das Handlöten der LDOs schwierig. Die Kupferebenen + Durchkontaktierungen möchten die Wärme vom Lötkolben ableiten und das Lot bleibt nicht sehr lange (wenn überhaupt) geschmolzen. Sie können dies etwas umgehen, indem Sie einen heißeren Lötkolben verwenden oder besser noch Dinge vorheizen, indem Sie zuerst die gesamte Leiterplatte mit einer Heißluftpistole aufwärmen. Erhalten Sie es nicht heiß genug, um Lot zu schmelzen (verwenden Sie dazu Ihr normales Bügeleisen). Durch das Vorheizen des gesamten Boards werden die Anforderungen an Ihr Bügeleisen geringer. IMHO, das ist keine große Sache, aber es ist etwas, das man beachten und planen muss.

Diese Methode bietet Ihnen auch eine gute Verbindung zu GND, viel besser als alles, was Sie uns aus den Datenblättern mitgeteilt haben.

Update basierend auf neuen Informationen aus dem Originalplakat:

Ihr 5-V-Regler fällt bei 400 mA um 6 V auf 5 V (ein 1-Volt-Abfall) ab. Dies wird 0,4 Watt Wärme erzeugen. 6 V bis 3,3 V bei 150 mA = 0,4 Watt. 6 V bis 1,8 V bei 200 mA = 0,84 Watt. Insgesamt 1,64 Watt für alle drei LDOs. Das ist zwar nicht verrückt, aber es ist ziemlich viel Hitze. Das bedeutet, dass Sie darauf achten müssen, wie dies abgekühlt wird, da es sonst überhitzt. Sie sind auf dem besten Weg, dies richtig zu erledigen.

Sie wollen ein einziges Flugzeug, nicht drei. Und das Flugzeug sollte so weit wie möglich herausragen, ich empfehle mindestens die doppelte Fläche der LDOs selbst. Je größer das Flugzeug, desto besser der Kühleffekt. Wenn das Flugzeug wirklich groß ist, sollten Sie mindestens vier Durchkontaktierungen pro Quadratzoll einfügen. Durch die gemeinsame Nutzung des Flugzeugs teilen sich die drei Regler die Kühlung. Wenn Sie dies nicht tun, kann ein Regler sehr heiß werden, während die anderen beiden nur warm sind.

Eine weitere Optimierung, die Sie vornehmen können, besteht darin, wie die + 6V in jedes LDO eingehen. Im Moment geht es um die Kappe, zum LDO. Lassen Sie es einfach direkt in die Kappe gehen, ohne es herumzuwickeln. Auf diese Weise können Sie dickere Spuren verwenden und die Dinge etwas kürzer halten. Diese kleine Menge GND-Flugzeug, die sich um die Kappe wickelt, hilft sowieso nicht viel.

Sie möchten mehrere Durchkontaktierungen vom Ausgang des LDO zu jedem Ort, an dem diese Leistung fließt. Nicht nur die Single über die du jetzt hast.

Mit "Kelvin-Verbindung" meinen sie: Legen Sie zwei separate Spuren an jeden der Vin- und Vout-Pins an - eine "Niedrigstrom" -Spur, die nur mit dem Kondensator verbunden ist, und eine "Hochstrom" -Spur an externes Material. Dies ist sehr ähnlich zu (und aus den gleichen Gründen wie) Strommessungs-Shunt-Widerständen, die eine Kelvin-Verbindung mit zwei getrennten Verbindungen zu jedem Ende dieses Widerstands verwenden.

Sie tun dies bereits und legen bereits eine solide Grundplatte unter alles, sodass Ihr PCB-Layout großartig aussieht.

Es sieht so aus, als würden Sie den "minimalen" empfohlenen Platzbedarf für dieses Paket verwenden - ich persönlich würde viel mehr Kupfer verwenden, aber möglicherweise leitet Ihre Anwendung so wenig Wärme ab, dass dies nicht erforderlich ist. a b

In den Entwürfen, die ich gemacht habe und die mehrere Stromschienen haben, habe ich oft alle Teile, die eine Stromschiene zusammen benötigen, und alle Teile, die die andere Stromversorgung benötigen, woanders, also platziere ich jeden Spannungsregler in der Nähe der Teile, die benötigt werden es. (Es ist besser, wenn sich die "ungeregelte" Spannungsspur weit über die Platine schlängelt und ungefähr hundert Millivolt abfällt, als wenn die "geregelte" Spannungsspur dasselbe tut. Außerdem wird vermieden, dass alle heißen Dinge zusammengepackt werden.)

Während Sie die Kappen an der "Frontlinie" des Reglers anbringen, setze ich meine Kappen auf die "Flanke" des Reglers. Dadurch wird die Erdung der Kappen näher an der tatsächlichen Erdungslasche des Reglers platziert, während weiterhin eine Kelvin-Verbindung zu den Vin- und Vout-Kappen möglich ist. Als Bonus müssen Sie sich nicht mehr um die Kappen "schlängeln", um zum Vin-Pin des Reglers zu gelangen.

Ich habe auch ein schönes großes Erdungspad auf die untere Schicht gelegt und es mit einer Reihe von Durchkontaktierungen verbunden. Es ist wichtig, dass Sie dies zu einem Pad machen, damit es keine Lötmaske enthält (oder Sie können einfach eine Lücke auf der unteren Lötschicht ablegen, dasselbe). Das Fehlen einer Lötmaske verbessert die Wärmeleitfähigkeit mit der Luft. Tun Sie dies jedoch nicht mit dem oberen Pad, da dies die Montage erschweren könnte.

In Bezug auf den Stromanschluss würde ich ihn direkt mit der Erdungsebene verbinden. Wie David es ausdrückte, kann man nicht größer oder dicker werden als ein Flugzeug. EDIT: Es sei denn, der Stecker ist nur ein oder zwei Zoll von den Reglern entfernt. Ich würde immer noch Durchkontaktierungen verwenden, zusätzlich zu einer großen Fettgrundspur auf der obersten Schicht. Mehr als ein oder zwei Zoll und es lohnt sich nicht, an diesem Punkt hätte die Spur wahrscheinlich mehr Impedanz als die Durchkontaktierungen.

Die CPLD-Kernspannung zieht mit ziemlicher Sicherheit keine 200 mA, es sei denn, Sie haben 10 davon mit 50 MHz oder so ähnlich. Schlagen Sie den maximalen dynamischen Strom im Datenblatt nach, um eine realistischere Zahl zu erhalten. Oder programmieren Sie die CPLDs so, dass sie so schnell und so oft wie möglich umschalten und den Stromverbrauch neu messen (sie verbrauchen keinen Strom, wenn die Kernlogik ihre Zustände nicht ändert). Das Beispiel Xilinx CPLD, das ich gefunden habe, hatte einen maximalen Strom, der weitgehend von der Frequenz abhängt, und variierte von Hunderten von uA bis zu Dutzenden von mA.

Ich würde in Betracht ziehen, den 1,8-V-Regler vom 3,3-V-Reglerausgang zu kaskadieren. Dadurch wird der Stromverbrauch des 1,8-V-Reglers um 65% gesenkt, was zu Lasten der Erhöhung der 3,3-V-Verlustleistung durch zusätzlichen Strom geht. Sie sollten die Zahlen zusammenfassen, um zu sehen, ob sich dies lohnt (normalerweise verbraucht der kleinere Regler weniger Strom als der größere Regler). Aber ein sehr schöner Bonus ist, dass Sie die doppelte Welligkeitsabweisung erhalten, wenn Sie die Regler kaskadieren.

Ein weiterer Tipp in der Wärmeabteilung ist die Investition in ein Infrarot-Thermometer (etwa 20 USD). Dies ist eine großartige Möglichkeit, Temperaturmessungen durchzuführen, insbesondere weil die schwarze Oberfläche von ICs häufig ein hohes Emissionsvermögen aufweist. Normalerweise erstelle ich eine spezielle Firmware, die absichtlich mehr Ressourcen als nötig verbraucht, um "Stresstest" -Messungen durchzuführen, während ich die Leiterplatte ein oder zwei Stunden im Gehäuse belasse, damit ich sicher bin, dass sie eine stationäre Temperatur erreicht.

Obwohl es Ihnen nicht schaden wird, ein riesiges Kupfer für den gesamten Raum zu gießen, wäre dies eine schlechte Idee, wenn Sie zwei Regler mit derselben Spannung parallel verwenden würden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen wird ein Regler heißer als der andere, was zu einer niedrigeren Impedanz führt, was mehr Strom bedeutet, was mehr Wärme bedeutet, was eine niedrigere Impedanz bedeutet ... bis Sie thermisch außer Kontrolle geraten. Dies ist in Ihrer aktuellen Anwendung kein Problem, sollte jedoch in Zukunft berücksichtigt werden.

Am besten platzieren Sie eine Grundebene unter allen drei LDOs. Da dies der Ansatz ist, den Sie gewählt haben, sieht alles in Ihrem Layout gut aus.

2. Beste Option: Erstellen Sie ein Stern-Bodennetzwerk, wenn Sie nicht in der Lage sind, eine Bodenebene fallen zu lassen.