Conseils de mise en page pour les LDO

Je développe une carte à quatre couches qui est alimentée par 3 tensions - 1,8 V, 3,3 V et 5,0 V. La carte a l'empilement suivant:

1. Signaux
2. Sol
3. 3,3 V
4. Signaux

Le sol et l'avion 3,3 V sont totalement intacts. Aucun signal ou trace de puissance ne se déplace sur eux.

J'utilise trois LDO LP38690DT pour fournir de l'énergie - voici mon circuit.

Cliquez ici pour agrandir l'image.

Ma préoccupation est la disposition de ces appareils. La fiche technique suggère ce qui suit

La meilleure façon de procéder consiste à disposer CIN et COUT à proximité de l'appareil avec de courtes traces vers les broches VIN, VOUT et de mise à la terre. La broche de mise à la terre du régulateur doit être connectée au circuit externe> à la masse de sorte que le régulateur et ses condensateurs aient une "mise à la terre à point unique".

J'ai été quelque peu dérouté par le terme «point unique» mais j'ai essayé de suivre au mieux les conseils donnés dans la fiche technique - mais je ne suis pas sûr d'avoir raison:

Notez que le texte en rouge n'est là que pour clarifier les gens ici - je le supprimerai après. Chaque régulateur est connecté directement aux condensateurs et la broche de terre du régulateur est connectée directement à la broche de terre du condensateur directement. Est-ce ce que la fiche technique signifiait que je devrais faire?

La fiche technique poursuit en disant

Étant donné qu'un courant élevé circule à travers les traces entrant dans le VIN et provenant de VOUT, Kelvin connecte les câbles de condensateur à ces broches afin qu'il n'y ait pas de chute de tension en série avec les condensateurs d'entrée et de sortie.

Qu'est-ce que cela signifie par Kelvin Connect? Je sais ce qu'est une connexion Kelvin - ce que je ne comprends pas, c'est ce que cela signifie dans le contexte d'un LDO.

Ma troisième question concerne les trois régulateurs. Comme je l'ai mentionné, chaque CI fait référence à la masse à partir du même via qui connecte ses condensateurs au plan de masse. Cependant, dois-je connecter les trois régulateurs au même point de mise à la terre, c'est-à-dire que les 3 régulateurs doivent-ils tous se connecter au "point de mise à la terre unique / via"?

Enfin, la tension d'entrée est alimentée par un connecteur à trou traversant à 4 points qui porte 6V sur deux conducteurs et GND sur les deux autres. Les broches GND sont connectées directement au plan de masse. Est-ce correct ou dois-je connecter les broches GND aux broches GND des régulateurs directement via des traces épaisses?

REMARQUE: l'image de mise en page ne montre rien connecté à la sortie des régulateurs. C'est acceptable. Je dois encore connecter mes circuits intégrés à l'alimentation. AUSSI: la couleur marron sous les régulateurs n'est pas un filet. C'est la manière d'Altium de montrer les "Pièces" dans la disposition PCB.

EXIGENCES ACTUELLES

La majeure partie du courant provient de l'alimentation 5V. L'alimentation 5V se connecte à un écran LCD qui dessinera un max. de 400mA (lorsque le rétroéclairage est activé) - mais normalement autour de 250mA.

L'alimentation 3,3 V attirera un max. de 300mA (discontinu) mais normalement autour de 150mA ou moins.

Le 1,8 V est l'alimentation pour le cœur des CPLD que possède ma carte. Je n'ai pas pu estimer cela mais je l'ai mesuré. Au démarrage, cela était d'environ 30mA mais ensuite réduit à 0mA. Mon compteur, semble-t-il, n'était pas suffisamment sensible pour mesurer réellement le courant. Je pense que 200mA serait une valeur sûre pour cela.

DISPOSITION MISE À JOUR:

J'espère que c'est ce que les gens voulaient dire ici. Je ne savais pas si je devais une grande coulée de cuivre ou trois autres, alors je suis allé avec 3 différents.

DISPOSITION MISE À JOUR (à nouveau):

J'ai maintenant fait une coulée de cuivre géante au lieu de 3 indépendantes. Je ne savais pas comment connecter ma tension de 3,3 V à mon plan d'alimentation à l'aide de plusieurs vias, donc ce qui précède est ma tentative. J'ai fait un petit remplissage et l'ai connecté directement à mon condensateur de sortie. De là, j'ai 4 vias, chacun de 25 mètres, se connectant directement à mon avion. Est-ce une meilleure façon de procéder?

Le jeu entre les remplissages et les autres objets est d'environ 15 millièmes. Dois-je augmenter cela?

Mais dans l'ensemble, vous pensez trop à l'importance du GND. C'est important, ne vous méprenez pas. C'est juste qu'il y a d'autres choses qui sont aussi importantes, et obtenir le GND correct est relativement facile.

Vous avez spécifié les tensions, vous n'avez pas spécifié le courant. Sans connaître le courant, nous ne connaissons pas la chaleur générée par les LDO. Et la chaleur influencera grandement la façon dont le PCB est disposé. Je vais supposer que la chaleur générée n'est pas anodine.

Voici ce que je ferais ...

1. Faites pivoter les capuchons de 90 degrés (parfois dans le sens horaire, parfois dans le sens antihoraire). Ce que vous faites, c'est assembler les broches GND des bouchons et raccourcir la distance entre le GND du LDO et les bouchons.
2. Rendez toutes vos traces plus larges. Au moins aussi large que le pad auquel il se connecte. Utilisez plusieurs VIA si vous le pouvez.
3. Mettez les traces + 6v "ailleurs". Soit à l'arrière du PCB ou à droite des LDO. Cela aura un sens sous peu.
4. Mettez un plan de cuivre sur la couche supérieure, sous et autour du tout. Connectez-le à la couche GND à l'aide de plusieurs VIA. J'utiliserais environ 10 vias par LDO, principalement autour de l'énorme broche GND. La broche GND des LDO et des bouchons doit être connectée DIRECTEMENT à ce plan, sans aucun "soulagement thermique". Cet avion doit être raisonnablement grand, bien que la taille exacte dépende de l'espace disponible et de la quantité de chaleur que le LDO dégagera. 1 ou 2 pouces carrés par LDO est un bon début.

Il y a deux raisons pour l'avion en cuivre. 1. Il donne la chaleur du LDO quelque part où aller pour être dissipée. 2. Il fournit un chemin à faible impédance entre les bouchons et le LDO.

La raison de tous les vias est: 1. Elle permet à une partie de la chaleur d'être transférée à la couche GND. 2. Il fournit un chemin à faible impédance du LDO à la couche GND.

Et la raison des traces plus grosses et des vias multiples est simplement pour un chemin d'impédance plus faible.

Je vous préviens cependant: cela rendra difficile le brasage manuel du LDO. Les avions + vias en cuivre voudront aspirer la chaleur du fer à souder et la soudure ne restera pas fondue très longtemps (voire pas du tout). Vous pouvez contourner cela quelque peu en utilisant un fer à souder plus chaud, ou mieux encore préchauffer des choses en utilisant un pistolet thermique pour chauffer tout le PCB en premier. Ne le faites pas assez chaud pour faire fondre la soudure (utilisez votre fer normal pour cela). En préchauffant toute la planche, les exigences imposées à votre fer seront moindres. À mon humble avis, ce n'est pas un gros problème, mais c'est quelque chose à savoir et à planifier.

Cette méthode vous donnera également une bonne connexion à GND, bien meilleure que tout ce que vous nous avez dit dans les fiches techniques.

Mise à jour, basée sur de nouvelles informations de l'affiche originale:

Votre régulateur 5v chute de 6v à 5v (une chute de 1 volt) à 400 mA. Cela va produire 0,4 watts de chaleur. 6v à 3,3v à 150 mA = 0,4 watts. 6v à 1,8v à 200 mA = 0,84 watts. Total 1,64 watts pour les trois LDO. Bien que ce ne soit pas fou, c'est une bonne quantité de chaleur. Cela signifie que vous devez faire attention à la façon dont cela va se refroidir sinon il surchauffera. Vous êtes sur la bonne voie pour y arriver correctement.

Vous voulez un seul avion, pas trois. Et l'avion devrait s'étendre autant que possible, je recommande au moins de doubler la surface des LDO eux-mêmes. Plus l'avion est grand, meilleur est l'effet de refroidissement. Si l'avion est vraiment grand, vous voudrez mettre au moins quatre vias pour chaque pouce carré. En partageant l'avion, les trois régulateurs partagent le refroidissement. Si vous ne le faites pas, un régulateur peut devenir très chaud tandis que les deux autres sont chauds.

Une autre optimisation que vous pouvez faire est de savoir comment le + 6v entre dans chaque LDO. En ce moment, il contourne le cap, au LDO. Faites-le passer directement dans le capuchon, sans l'enrouler. Cela vous permettra d'utiliser des traces plus épaisses et de garder les choses un peu plus courtes. Cette petite quantité d'avion GND qui s'enroule autour de la casquette n'aide pas beaucoup de toute façon.

Vous aurez besoin de plusieurs vias de la sortie du LDO vers où va cette puissance. Pas seulement le single via que vous avez maintenant.

Par "Kelvin connect", ils signifient: Mettez deux traces distinctes sur chacune des broches Vin et Vout - une trace "à faible courant" qui se connecte uniquement au condensateur, et une trace "à courant élevé" à des éléments externes. Ceci est très similaire à (et pour les mêmes raisons que) les résistances shunt de détection de courant utilisent une connexion Kelvin avec deux connexions distinctes à chaque extrémité de cette résistance.

Vous faites déjà cela, et vous mettez déjà un plan de masse solide sous tout, de sorte que votre disposition de circuit imprimé a fière allure.

Il semble que vous utilisiez l'encombrement "minimum" recommandé pour ce package - personnellement, j'utiliserais beaucoup plus de cuivre, mais peut-être que votre application dissipe si peu de chaleur qu'elle n'est pas nécessaire. a b

Dans les conceptions que j'ai faites qui ont plusieurs rails d'alimentation, j'ai souvent toutes les pièces qui ont besoin d'un rail d'alimentation ensemble, et toutes les pièces qui ont besoin de l'autre puissance ailleurs, alors je mets chaque régulateur de tension près des pièces qui en ont besoin il. (Il vaut mieux que la trace de tension "non régulée" serpente sur toute la longueur de la carte et baisse d'une centaine de millivolts ou plus que si la trace de tension "régulée" fait de même. Elle évite également de rassembler toutes les choses chaudes ensemble).

Alors que vous placez les bouchons en "première ligne" du régulateur, je mets mes bouchons sur le "flanc" du régulateur. Cela rapproche la masse des bouchons de la languette de mise à la terre réelle du régulateur, tout en permettant une connexion Kelvin aux bouchons Vin et Vout. En prime, vous n'aurez plus besoin de "serpenter" autour des bouchons pour accéder à la broche Vin du régulateur.

J'ai également mis un joli gros coussin de sol sur la couche inférieure et je l'ai connecté avec un tas de vias. Il est important que vous en fassiez un tampon afin qu'il ne contienne pas de masque de soudure (ou vous pourriez simplement mettre un vide sur la couche de soudure inférieure, même chose). L'absence de masque de soudure améliore la conductivité thermique avec l'air. Ne faites pas cela avec le coussin supérieur, cependant, cela pourrait rendre l'assemblage plus difficile.

Concernant le connecteur d'alimentation, je le connecterais directement au plan de masse. Comme l'a dit David, vous ne pouvez pas devenir plus gros ou plus gros qu'un avion. EDIT: Sauf peut-être que le connecteur n'est qu'à un pouce ou deux des régulateurs. J'utiliserais toujours des vias, en plus d'une grosse trace de masse grasse sur la couche supérieure. Plus d'un pouce ou deux et cela n'en vaut pas la peine, à ce stade, la trace aurait probablement plus d'impédance que les vias.

La tension de base CPLD ne tirera presque certainement pas 200 mA à moins que vous n'en ayez comme 10 fonctionnant à 50 MHz ou quelque chose comme ça. Recherchez le courant dynamique maximum dans la fiche technique pour obtenir un chiffre plus réaliste. Ou programmez les CPLD pour basculer aussi rapidement et souvent que possible et mesurer à nouveau la consommation de courant (il ne consommera aucun courant lorsque la logique principale ne change pas d'état). L'exemple Xilinx CPLD que j'ai trouvé avait un courant max qui dépend en grande partie de la fréquence et variait de centaines d'UA à des dizaines de mA.

J'envisagerais de cascader le régulateur 1,8 V hors de la sortie du régulateur 3,3 V. Cela réduira la consommation d'énergie des régulateurs de 1,8 V de 65%, au détriment de l'augmentation de la dissipation de 3,3 V par un courant supplémentaire. Vous devriez croquer les chiffres pour voir si cela en vaut la peine (c'est généralement lorsque le petit régulateur consomme moins de courant que le plus grand régulateur). Mais un très bon bonus est que vous obtenez le double du rejet d'ondulation lorsque vous cascadez les régulateurs.

Une autre astuce dans le département de la chaleur consiste à investir dans un thermomètre infrarouge (ils sont comme 20 USD). C'est un excellent moyen d'obtenir des mesures de température, en particulier parce que la surface noire des circuits intégrés a souvent une grande émissivité. Je crée généralement un micrologiciel spécial qui utilise intentionnellement plus de ressources que nécessaire pour obtenir des mesures de "test de stress", tout en laissant le PCB dans le boîtier pendant une heure ou deux, de sorte que je suis convaincu qu'il a atteint une température stable.

Enfin, même si cela ne vous fera pas de mal de faire une gigantesque coulée de cuivre pour toute la pièce, ce serait une mauvaise idée si vous utilisiez deux régulateurs de même tension en parallèle. En raison des tolérances de fabrication, un régulateur commencera à devenir plus chaud que l'autre, ce qui se traduira par une impédance inférieure, ce qui signifie plus de courant, ce qui signifie plus de chaleur, ce qui signifie une impédance inférieure ... jusqu'à ce que vous obteniez un emballement thermique. Ce n'est pas une préoccupation dans votre demande actuelle, mais c'est quelque chose à garder à l'esprit à l'avenir.

Meilleure option, placez un plan de sol sous les trois LDO, puisque c'est l'approche que vous avez adoptée, tout semble bien de votre mise en page.

2e meilleure option, faites un réseau au sol en étoile si vous n'avez pas la possibilité de larguer un plan au sol.