Wskazówki dotyczące układu dla LDO

Opracowuję czterowarstwową płytkę, która jest zasilana 3 napięciami - 1,8 V, 3,3 V i 5,0 V. Płyta ma następującą staptę:

1. Sygnały
2. Ziemia
3. 3,3 V.
4. Sygnały

Ziemia i płaszczyzna 3,3 V są całkowicie nieprzerwane. Nie przesuwa się po nich żaden sygnał ani ślad mocy.

Używam trzech LDO LP38690DT do zasilania - oto mój obwód.

Kliknij tutaj, aby powiększyć zdjęcie.

Moje obawy dotyczą układu tych urządzeń. Datasheet proponuje następujące

Najlepszym sposobem na to jest ułożenie CIN i COUT w pobliżu urządzenia za pomocą krótkich śladów do VIN, VOUT i pinów uziemienia. Pin uziemienia regulatora należy podłączyć do obwodu zewnętrznego> uziemienie, aby regulator i jego kondensatory miały „uziemienie jednopunktowe”.

Byłem nieco zdezorientowany terminem „punkt jednopunktowy”, ale starałem się postępować zgodnie z radami podanymi w arkuszu danych najlepiej jak potrafiłem - ale nie jestem pewien, czy mam rację:

Zwróć uwagę, że tekst w kolorze czerwonym jest tylko po to, aby zapewnić czytelnikom jasność - usunę go później. Każdy regulator jest podłączony bezpośrednio do kondensatorów, a bolec uziemiający regulatora jest podłączony bezpośrednio do bolca uziemienia kondensatora. Czy to właśnie oznacza arkusz danych, że powinienem zrobić?

Arkusz danych dalej mówi

Ponieważ wysoki prąd przepływa przez ślady dochodzące do VIN i pochodzące z VOUT, Kelvin podłącza przewody kondensatora do> tych styków, aby nie wystąpił szeregowy spadek napięcia z kondensatorami wejściowymi i wyjściowymi.

Co to znaczy Kelvin Connect? Wiem, co to jest połączenie Kelvina - nie rozumiem, co to znaczy w kontekście dla LDO.

Moje trzecie pytanie dotyczy wszystkich trzech organów regulacyjnych. Jak wspomniałem, każdy układ scalony odnosi się do uziemienia z tego samego, przez co łączy kondensatory z płaszczyzną uziemienia. Czy jednak powinienem podłączyć wszystkie trzy regulatory do tego samego punktu uziemienia, tj. Czy wszystkie 3 regulatory powinny połączyć się z „pojedynczym punktem uziemienia / przez”?

Wreszcie napięcie wejściowe jest podawane przez 4-punktowe złącze przelotowe, które przenosi 6 V na dwóch przewodach i GND na pozostałych dwóch. Piny GND są połączone bezpośrednio z płaszczyzną uziemienia. Czy to jest w porządku, czy powinienem podłączyć piny GND do pinów GND regulatorów bezpośrednio grubymi śladami?

UWAGA: obraz układu nie pokazuje niczego podłączonego do wyjścia regulatorów. To jest wporządku. Nadal muszę podłączyć moje układy scalone do zasilania. RÓWNIEŻ: bordowy kolor pod regulatorami nie jest siatką. W ten sposób Altium pokazuje „Pokoje” w układzie PCB.

OBECNE WYMOGI

Większość prądu pobierana jest z zasilacza 5 V. Zasilanie 5 V łączy się z wyświetlaczem LCD, który pobiera maks. 400mA (przy włączonym podświetleniu) - ale zwykle około 250mA.

Zasilanie 3,3 V pobiera maks. 300mA (nieciągły), ale zwykle około 150mA lub mniej.

1,8 V jest zasilaniem rdzenia CPLD, które ma moja płyta. Nie byłem w stanie oszacować tego, ale zmierzyłem to. Przy uruchomieniu było to około 30 mA, ale następnie zredukowane do 0 mA. Wygląda na to, że mój miernik nie był wystarczająco czuły, aby zmierzyć prąd. Myślę, że 200mA byłoby bezpiecznym zakładem.

AKTUALIZOWANY UKŁAD:

Mam nadzieję, że o to tu chodziło. Nie byłem pewien, czy powinienem nalać jedną dużą miedź, czy trzy osobne, więc wybrałem 3 osobne.

AKTUALIZOWANY UKŁAD (ponownie):

Teraz sprawiłem, że jedna gigantyczna miedź lała zamiast 3 niezależnych. Nie byłem pewien, jak podłączyć moje napięcie 3,3 V do mojej płaszczyzny zasilania za pomocą wielu przelotek, więc powyższe jest moją próbą. Zrobiłem małe wypełnienie i podłączyłem je bezpośrednio do kondensatora wyjściowego. Stamtąd mam 4 przelotki o wielkości 25 m, łączące się bezpośrednio z moją płaszczyzną energetyczną. Czy to lepszy sposób na zrobienie tego?

Prześwit między wypełnieniami a innymi przedmiotami wynosi około 15 młynów. Czy powinienem to zwiększyć?

Ale ogólnie przeceniasz znaczenie GND. To ważne, nie zrozum mnie źle. Po prostu istnieją inne rzeczy, które są równie ważne, a poprawienie GND jest stosunkowo łatwe.

Podałeś napięcia, nie podałeś prądu. Nie znając prądu, nie znamy ciepła wytwarzanego przez LDO. Ciepło będzie miało duży wpływ na sposób ułożenia płytki drukowanej. Zakładam, że wytwarzane ciepło nie jest trywialne.

Oto co bym zrobił ...

1. Obróć nakrętki o 90 stopni (czasami w prawo, a czasem w lewo). To, co robisz, to zebranie kołków GND czapek i skrócenie odległości między GND GND a czapkami.
2. Poszerz wszystkie swoje ślady. Przynajmniej tak szeroki jak pad, z którym się łączy. Jeśli możesz, użyj wielu VIA.
3. Umieść ślady +6v „gdzie indziej”. Albo na tylnej stronie płytki drukowanej, albo po prawej stronie LDO. To wkrótce będzie miało sens.
4. Połóż miedzianą płaszczyznę na górnej warstwie, pod i wokół całości. Połącz to z warstwą GND za pomocą wielu VIA. Użyłbym około 10 przelotek na LDO, głównie wokół ogromnego pinu GND. Styk GND zarówno LDO, jak i kołpaków powinien być podłączony do tej płaszczyzny BEZPOŚREDNIO, bez żadnych „ulg termicznych”. Ta płaszczyzna powinna być dość duża, chociaż dokładny rozmiar zależy od dostępnej przestrzeni i ilości ciepła wydzielanego przez LDO. 1 lub 2 cale kwadratowe na LDO to dobry początek.

Istnieją dwa powody dla płaszczyzny miedzi. 1. Daje ciepło z jakiegoś miejsca LDO, aby przejść do rozproszenia. 2. Zapewnia ścieżkę o niskiej impedancji między trzonkami a LDO.

Powodem wszystkich przelotek są: 1. Umożliwia to przeniesienie części ciepła na warstwę GND. 2. Zapewnia ścieżkę o niskiej impedancji od LDO do warstwy GND.

A przyczyną grubszych śladów i wielu przelotek jest po prostu ścieżka o niższej impedancji.

Ostrzegam cię jednak: utrudni to ręczne lutowanie LDO. Miedziane samoloty + przelotki będą chciały odsysać ciepło z lutownicy, a lut nie pozostanie stopiony przez bardzo długi czas (jeśli w ogóle). Można to nieco obejść za pomocą cieplejszej lutownicy lub jeszcze lepiej podgrzać rzeczy za pomocą opalarki, aby najpierw ogrzać całą płytkę drukowaną. Nie rozgrzej go wystarczająco, aby stopić lut (użyj do tego zwykłego żelazka). Po podgrzaniu całej deski wymagania stawiane żelazku będą mniejsze. IMHO, to nie jest wielka sprawa, ale należy o tym wiedzieć i planować.

Ta metoda zapewni również dobre połączenie z GND, znacznie lepsze niż cokolwiek, co powiedziałeś nam z arkuszy danych.

Aktualizacja w oparciu o nowe informacje z oryginalnego plakatu:

Twój regulator 5 V obniża napięcie 6 V do 5 V (spadek 1 V) przy 400 mA. To wytworzy 0,4 wata ciepła. 6 V do 3,3 V przy 150 mA = 0,4 W. 6 V do 1,8 V przy 200 mA = 0,84 wata. Łącznie 1,64 wata dla wszystkich trzech LDO. Chociaż nie jest to szalone, jest to dość ciepła. Oznacza to, że musisz zwrócić uwagę na to, jak to się ochłodzi, bo inaczej się przegrzeje. Jesteś na dobrej drodze, aby zrobić to poprawnie.

Chcesz jednego samolotu, a nie trzech. A samolot powinien rozciągać się tak daleko, jak to możliwe, polecam przynajmniej podwoić powierzchnię samych LDO. Im większy samolot, tym lepszy efekt chłodzenia. Jeśli samolot jest naprawdę duży, będziesz chciał umieścić co najmniej cztery przelotki na każdy cal kwadratowy. Współdzieląc samolot, trzy regulatory współdzielą chłodzenie. Jeśli tego nie zrobisz, jeden regulator może być naprawdę gorący, a pozostałe dwa są po prostu ciepłe.

Inną optymalizacją, jaką możesz zrobić, jest sposób, w jaki + 6v wchodzi do każdego LDO. W tej chwili okrąża czapkę, do LDO. Po prostu włóż go prosto do czapki, bez owijania się. To pozwoli ci używać grubszych śladów i sprawi, że rzeczy będą trochę krótsze. Ta niewielka ilość płaszczyzny GND, która owija się wokół czapki, i tak niewiele pomaga.

Będziesz potrzebował kilku przelotek od wyjścia LDO do każdego miejsca, w którym ta moc jest kierowana. Nie tylko singiel, który masz teraz.

Przez „połączenie Kelvina” mają na myśli: Umieść dwa oddzielne ślady na każdym z pinów Vin i Vout - jeden ślad „niskiego prądu”, który łączy się tylko z kondensatorem, a drugi ślad „wysokiego prądu” do elementów zewnętrznych. Jest to bardzo podobne do (i z tych samych powodów) obecnych rezystorów bocznikowych wykorzystujących połączenie Kelvina z dwoma oddzielnymi połączeniami z każdym końcem tego rezystora.

Już to robisz i już stawiasz pod wszystkim solidną płaszczyznę uziemienia, więc układ PCB wygląda świetnie.

Wygląda na to, że używasz „minimalnego” zalecanego rozmiaru dla tego pakietu - osobiście użyłbym dużo więcej miedzi, ale być może twoja aplikacja rozprasza tak mało ciepła, że ​​nie jest to konieczne. a b

W wykonanych przeze mnie projektach, które mają wiele szyn zasilających, często mam wszystkie części, które potrzebują jednej szyny zasilającej razem, i wszystkie części, które potrzebują innej mocy gdzie indziej, więc umieszczam każdy regulator napięcia blisko potrzebnych części to. (Lepiej jest, jeśli „nieuregulowany” ślad napięcia wije się daleko na płycie i upuszcza sto miliwoltów lub mniej, niż jeśli „regulowany” ślad napięcia robi to samo. Pozwala to również uniknąć upakowania wszystkich gorących rzeczy razem).

Podczas gdy umieszczasz czapki na „przedniej linii” regulatora, ja umieszczam czapki na „boku” regulatora. To zbliża maskę czapek do rzeczywistej zakładki masy regulatora, jednocześnie umożliwiając połączenie Kelvina z czapkami Vin i Vout. Jako bonus, nie musisz już „owijać się” wokół czapek, aby dostać się do kołka Vin regulatora.

Na dolnej warstwie położyłem też ładną, dużą podkładkę i połączyłem ją z wiązką przelotek. Ważne jest, aby uczynić z tego pad, aby nie miał na nim żadnej maski lutowniczej (lub po prostu można odłożyć pustkę na dolnej warstwie lutowniczej, to samo). Brak maski lutowniczej poprawia przewodność cieplną z powietrzem. Nie rób tego z górną podkładką, może to utrudnić montaż.

Jeśli chodzi o złącze zasilania, podłączałbym je bezpośrednio do płaszczyzny uziemienia. Jak to ujął David, nie możesz stać się większy ani grubszy niż samolot. EDYCJA: Chyba że złącze jest tylko cal lub dwa centymetry od regulatorów. Nadal używałbym przelotek, oprócz dużego tłuszczu na górnej warstwie. Więcej niż cal lub dwa i nie jest tego warte, w tym momencie ślad prawdopodobnie miałby większą impedancję niż przelotki.

Napięcie rdzenia CPLD prawie na pewno nie pobierze 200 mA, chyba że 10 z nich pracuje przy 50 MHz lub coś w tym rodzaju. Sprawdź maksymalny prąd dynamiczny w arkuszu danych, aby uzyskać bardziej realistyczny rysunek. Lub zaprogramuj CPLD, aby przełączały się tak szybko i często, jak to możliwe, i ponownie mierzą zużycie prądu (nie zużywa żadnego prądu, gdy podstawowa logika nie zmienia stanów). Przykład Xilinx CPLD, który znalazłem, miał maksymalny prąd, który zależy w dużej mierze od częstotliwości i wahał się od setek uA do kilkudziesięciu mA.

Rozważę kaskadowanie regulatora 1,8 V z wyjścia regulatora 3,3 V. Spowoduje to zmniejszenie zużycia energii przez regulatory 1,8 V o 65%, kosztem zwiększenia rozproszenia 3,3 V przez dodatkowy prąd. Powinieneś chrupać liczby, aby zobaczyć, czy jest to warte (zazwyczaj dzieje się tak, gdy mniejszy regulator zużywa mniej prądu niż większy regulator). Ale bardzo miłą zaletą jest to, że uzyskuje się dwukrotne odrzucenie tętnienia, gdy kaskada regulatorów.

Kolejną wskazówką w dziale cieplnym jest zainwestowanie w termometr na podczerwień (kosztują one około 20 USD). Jest to świetny sposób na uzyskanie pomiarów temperatury, szczególnie dlatego, że czarna powierzchnia układów scalonych często ma dużą emisyjność. Zwykle tworzę specjalne oprogramowanie układowe, które celowo zużywa więcej zasobów niż jest to konieczne w celu uzyskania pomiarów „testu warunków skrajnych”, pozostawiając płytkę drukowaną w obudowie na godzinę lub dwie, aby mieć pewność, że osiągnęła temperaturę stanu ustalonego.

Wreszcie, chociaż nie będzie ci przeszkadzało, aby jedna gigantyczna miedź zalała cały pokój, byłby to zły pomysł, gdybyś używał dwóch regulatorów tego samego napięcia równolegle. Ze względu na tolerancje produkcyjne, jeden regulator zacznie się nagrzewać bardziej niż drugi, co spowoduje niższą impedancję, co oznacza większy prąd, co oznacza więcej ciepła, co oznacza niższą impedancję ... aż do momentu, w którym nastąpi niekontrolowany wzrost temperatury. Nie jest to problemem w twojej obecnej aplikacji, ale warto o tym pamiętać w przyszłości.

Najlepszą opcją jest umieszczenie płaszczyzny podłoża pod wszystkimi trzema LDO, ponieważ takie podejście przyjęto, wszystko wygląda dobrze z twojego układu.

Druga najlepsza opcja, wykonaj sieć gwiezdną, jeśli nie masz możliwości zrzucenia płaszczyzny uziemienia.