Consigli di layout per LDO

Sto sviluppando una scheda a quattro strati che è alimentata da 3 tensioni: 1,8 V, 3,3 V e 5,0 V. La scheda ha il seguente stackup:

1. segnali
2. Terra
3. 3.3V
4. segnali

Il terreno e il piano da 3,3 V sono completamente integri. Nessun segnale o traccia di potenza viaggia su di essi.

Sto usando tre LDO LP38690DT per fornire energia - ecco il mio circuito.

Clicca qui per un'immagine più grande.

La mia preoccupazione è il layout di questi dispositivi. La scheda tecnica suggerisce quanto segue

Il modo migliore per farlo è di disporre CIN e COUT vicino al dispositivo con brevi tracce su VIN, VOUT e pin di terra. Il pin di terra del regolatore deve essere collegato al circuito esterno> terra in modo tale che il regolatore e i suoi condensatori abbiano una "terra a punto singolo".

Ero un po 'confuso dal termine "punto singolo", ma ho cercato di seguire i consigli forniti nel foglio dati al meglio delle mie capacità, ma non sono sicuro di essere corretto:

Nota che il testo in rosso è lì solo per dare chiarezza alla gente qui - lo eliminerò in seguito. Ogni regolatore è collegato direttamente ai condensatori e il pin di terra del regolatore è collegato direttamente al pin di terra del condensatore direttamente. È questo che significava che avrei dovuto fare la scheda tecnica?

Il foglio dati continua a dire

Poiché l'alta corrente fluisce attraverso le tracce che entrano in VIN e provengono da VOUT, Kelvin collega i conduttori del condensatore a questi pin in modo che non vi siano cadute di tensione in serie con i condensatori di ingresso e uscita.

Cosa significa Kelvin Connect? So cosa è una connessione Kelvin - ciò che non capisco è cosa significa nel contesto di un LDO.

La mia terza domanda riguarda tutti e tre i regolatori. Come ho già detto, ogni IC fa riferimento a terra dalla stessa via che collega i suoi condensatori al piano di terra. Tuttavia, dovrei collegare tutti e tre i regolatori allo stesso punto di massa, ovvero tutti e 3 i regolatori dovrebbero essere collegati al "punto di terra singolo / via"?

Infine, la tensione di ingresso viene alimentata da un connettore a foro passante a 4 punti che trasporta 6 V su due conduttori e GND sugli altri due. I pin GND sono collegati direttamente al piano di massa. Va bene o devo collegare i pin GND ai pin GND dei regolatori direttamente tramite tracce spesse?

NOTA: l'immagine del layout non mostra nulla collegato all'uscita dei regolatori. Questo va bene. Devo ancora collegare i miei circuiti integrati all'alimentazione. ANCHE: il colore marrone sotto i regolatori non è una rete. Questo è il modo di Altium di mostrare "Stanze" nel layout PCB.

REQUISITI ATTUALI

La maggior parte della corrente viene assorbita dall'alimentazione a 5 V. L'alimentazione a 5 V si collega a un display LCD che assorbirà un max. di 400 mA (quando la retroilluminazione è attiva), ma normalmente intorno a 250 mA.

L'alimentazione a 3,3 V assorbirà un max. di 300 mA (discontinuo) ma normalmente circa 150 mA o meno.

1.8V è la fornitura per il nucleo dei CPLD che la mia scheda ha. Non sono riuscito a stimarlo, ma l'ho misurato. All'avvio, questo era di circa 30 mA ma poi ridotto a 0 mA. Il mio contatore, a quanto pare, non era abbastanza sensibile per misurare effettivamente la corrente. Credo che 200mA sarebbe una scommessa sicura per questo.

LAYOUT AGGIORNATO:

Spero che questo significhi la gente qui. Non ero sicuro di dover versare un grande rame o tre distinti, quindi ne ho scelti 3 separati.

LAYOUT AGGIORNATO (di nuovo):

Ora ho fatto un getto gigante di rame invece di 3 indipendenti. Non ero sicuro di come collegare la mia tensione di 3,3 V al mio piano di alimentazione utilizzando più vie, quindi quanto sopra è il mio tentativo. Ho fatto un piccolo riempimento e l'ho collegato direttamente al mio condensatore di uscita. Da lì ho 4 vie, ciascuna di 25 mulini di dimensioni, che si collegano direttamente al mio piano di potenza. È un modo migliore per farlo?

La distanza tra i riempimenti e altri oggetti è di circa 15 mulini. Dovrei aumentare questo?

Ma nel complesso stai pensando troppo all'importanza del GND. È importante, non fraintendermi. È solo che ci sono altre cose che sono altrettanto importanti e ottenere il GND corretto è relativamente facile.

Hai specificato le tensioni, non hai specificato la corrente. Senza conoscere la corrente, non conosciamo il calore generato dagli LDO. E il calore influenzerà notevolmente il modo in cui il PCB è disposto. Presumo che il calore generato sia non banale.

Ecco cosa farei ...

1. Ruota i tappi di 90 gradi (a volte in senso orario, a volte in senso antiorario). Quello che stai facendo è unire i pin GND dei tappi e accorciare la distanza tra il GND del LDO e i tappi.
2. Allarga tutte le tue tracce. Almeno quanto il pad a cui si sta connettendo. Usa più VIA se puoi.
3. Metti le tracce + 6v "altrove". Sul retro del PCB o sulla destra dei LDO. Questo avrà senso a breve.
4. Metti un piano di rame sullo strato superiore, sotto e intorno a tutto. Collegalo allo strato GND usando più VIA. Userei circa 10 via per LDO, principalmente attorno all'enorme pin GND. Il pin GND di entrambi gli LDO e i cappucci devono essere collegati DIRETTAMENTE a questo piano, senza "rilievi termici". Questo piano dovrebbe essere ragionevolmente grande, anche se la dimensione esatta dipende dallo spazio disponibile e dalla quantità di calore che il LDO emetterà. 1 o 2 pollici quadrati per LDO è un buon inizio.

Ci sono due ragioni per l'aereo di rame. 1. Fornisce il calore proveniente dall'LDO in un posto dove andare per essere dissipato. 2. Fornisce un percorso a bassa impedenza tra i tappi e il LDO.

Il motivo di tutte le vie è: 1. Permette di trasferire parte del calore allo strato GND. 2. Fornisce un percorso a bassa impedenza dall'LDO allo strato GND.

E la ragione delle tracce più grasse e delle vie multiple è semplicemente per un percorso di impedenza inferiore.

Ti avvertirò comunque: fare questo renderà difficile la saldatura manuale degli LDO. Gli aerei di rame + via vorranno aspirare il calore lontano dal saldatore e la saldatura non rimarrà fusa per molto tempo (se non del tutto). Puoi aggirare un po 'questo usando un saldatore più caldo, o meglio ancora pre-riscaldare le cose usando una pistola termica per riscaldare prima l'intero PCB. Non farlo abbastanza caldo per sciogliere la saldatura (usa il tuo ferro normale per quello). Preriscaldando l'intera scheda le esigenze poste sul ferro saranno inferiori. IMHO, questo non è un grosso problema, ma è qualcosa di cui essere consapevoli e pianificare.

Questo metodo ti darà anche una buona connessione a GND, molto meglio di tutto ciò che ci hai detto dai fogli di dati.

Aggiornamento, basato su nuove informazioni dal poster originale:

Il regolatore 5v sta scendendo da 6v a 5v (una caduta di 1 volt) a 400 mA. Questo produrrà 0,4 watt di calore. Da 6v a 3,3v a 150 mA = 0,4 watt. Da 6v a 1,8v a 200 mA = 0,84 watt. Totale 1,64 watt per tutti e tre i LDO. Mentre questo non è pazzo, è una buona quantità di calore. Ciò significa che è necessario prestare attenzione a come questo verrà raffreddato altrimenti si surriscalda. Sei sulla buona strada per farlo correttamente.

Vuoi un solo piano, non tre. E l'aereo dovrebbe estendersi il più possibile, raccomando almeno il doppio dell'area degli stessi LDO. Più grande è l'aereo, migliore è l'effetto di raffreddamento. Se l'aereo è veramente grande, ti consigliamo di inserire almeno quattro vie per ogni pollice quadrato. Condividendo l'aereo, i tre regolatori condividono il raffreddamento. Se non lo fai, un regolatore potrebbe surriscaldarsi mentre gli altri due sono caldi.

Un'altra ottimizzazione che puoi fare è il modo in cui + 6v arriva a ciascun LDO. Al momento gira attorno al tappo, fino all'LDO. Basta andare dritto nel cappuccio, senza avvolgersi. Ciò ti consentirà di utilizzare tracce più spesse e di ridurre le cose. Quella piccola quantità di piano GND che avvolge il cappuccio non aiuta comunque molto.

Avrai bisogno di diversi passaggi dall'output dell'LDO a qualsiasi destinazione. Non solo il singolo via che hai adesso.

Con "Kelvin connect", intendono: mettere due tracce separate su ciascuno dei pin Vin e Vout: una traccia "a bassa corrente" che si collega solo al condensatore e una traccia "ad alta corrente" su materiale esterno. Questo è molto simile (e per gli stessi motivi) per i resistori di shunt a rilevamento di corrente che usano una connessione Kelvin con due connessioni separate a ciascuna estremità di quella resistenza.

Lo stai già facendo e stai già mettendo un solido piano di massa sotto tutto, quindi il layout del tuo PCB sembra fantastico.

Sembra che tu stia usando l'impronta consigliata "minima" per questo pacchetto - personalmente userei molto più rame, ma forse la tua applicazione dissipa così poco calore che non è necessario. a b

Nei progetti che ho realizzato che hanno più guide di alimentazione, spesso ho tutte le parti che necessitano di una guida di alimentazione insieme e tutte le parti che hanno bisogno dell'altra potenza da qualche altra parte, quindi metto ciascun regolatore di tensione vicino alle parti che necessitano esso. (È meglio se la traccia di tensione "non regolata" si snoda molto lungo la scheda e fa cadere un centinaio di millivolt o meno che se la traccia di tensione "regolata" fa lo stesso Evita anche di mettere insieme tutte le cose calde).

Mentre metti i tappi sulla "linea frontale" del regolatore, io metto i tappi sul "fianco" del regolatore. Ciò avvicina la massa dei tappi alla scheda di terra effettiva del regolatore, consentendo comunque una connessione Kelvin ai tappi Vin e Vout. Come bonus, non avrai più bisogno di "serpente" attorno ai tappi per raggiungere il pin Vin del regolatore.

Ho anche messo un bel pad grande sullo strato inferiore e l'ho collegato con un sacco di vie. È importante che lo trasformi in un pad in modo che non vi sia alcuna maschera di saldatura (o potresti semplicemente mettere un vuoto sul livello di saldatura inferiore, stessa cosa). La mancanza di una maschera per saldatura migliora la conduttività termica con l'aria. Non farlo con il pad superiore, tuttavia, potrebbe rendere più difficile il montaggio.

Per quanto riguarda il connettore di alimentazione, lo collegherei direttamente al piano di massa. Come diceva David, non puoi diventare più grande o più grasso di un aereo. EDIT: A meno che forse il connettore non sia distante solo un pollice o due dai regolatori. Userei ancora i via, oltre a una grossa traccia di terra grassa sullo strato superiore. Più di un pollice o due e non ne vale la pena, a quel punto la traccia avrebbe probabilmente più impedenza rispetto ai via.

La tensione del core CPLD quasi certamente non assorbirà 200 mA a meno che tu non ne abbia avuto 10 in esecuzione a 50 MHz o qualcosa del genere. Cerca la corrente dinamica massima nel foglio dati per ottenere una cifra più realistica. O programmare i CPLD in modo che si commutino il più rapidamente e spesso possibile e rimisurino il consumo di corrente (non consumerà corrente quando la logica di base non sta cambiando stato). L'esempio Xilinx CPLD che ho trovato aveva una corrente massima che dipende in gran parte dalla frequenza e variava da centinaia di uA a dozzine di mA.

Vorrei prendere in considerazione il collegamento in cascata del regolatore da 1,8 V dall'uscita dei regolatori da 3,3 V. Ciò ridurrà il consumo di energia dei regolatori da 1,8 V del 65%, a spese dell'aumento della dissipazione di 3,3 V di corrente aggiuntiva. Dovresti scricchiolare i numeri per vedere se ne vale la pena (di solito è quando il regolatore più piccolo consuma meno corrente del regolatore più grande). Ma un vantaggio molto bello è che si ottiene il doppio del rifiuto dell'ondulazione quando si mettono in cascata i regolatori.

Un altro consiglio nel dipartimento del calore è quello di investire in un termometro a infrarossi (sono come $ 20 USD). Questo è un ottimo modo per ottenere misurazioni della temperatura, soprattutto perché la superficie nera dei circuiti integrati ha spesso una grande emissività. Di solito creo un firmware speciale che utilizza intenzionalmente più risorse del necessario per ottenere misurazioni di "stress test", lasciando il PCB nella custodia per un'ora o due in modo da essere sicuro che abbia raggiunto una temperatura costante.

Infine, anche se non ti farà del male far versare un gigantesco rame per l'intera stanza, questa sarebbe una cattiva idea se si usassero due regolatori della stessa tensione in parallelo. A causa delle tolleranze di fabbricazione, un regolatore inizierà a diventare più caldo dell'altro, risultando in un'impedenza inferiore, il che significa più corrente, il che significa più calore, il che significa minore impedenza ... fino ad ottenere una fuga termica. Questo non è un problema nella tua attuale applicazione, ma è qualcosa da tenere a mente in futuro.

La migliore opzione, metti un piano di massa sotto tutti e tre i LDO, dato che questo è l'approccio che hai adottato, tutto sembra a posto dal tuo layout.

Seconda opzione migliore, esegui una rete a stella se non hai la possibilità di far cadere un piano di terra.