คำแนะนำเลย์เอาต์สำหรับ LDO

ฉันกำลังพัฒนาบอร์ดสี่ชั้นซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้า 3 โวลต์ - 1.8V, 3.3V และ 5.0V บอร์ดมีสแต็กต่อไปนี้:

1. สัญญาณ
2. พื้น
3. 3.3V
4. สัญญาณ

ระนาบกราวด์และระนาบ 3.3V นั้นไม่แตกหักสนิท ไม่มีสัญญาณหรือกำลังติดตามเดินทางอยู่

ฉันใช้ LP38690DT LDO สามตัวเพื่อให้พลังงาน - นี่คือวงจรของฉัน

คลิกที่นี่เพื่อดูภาพขนาดใหญ่

ความกังวลของฉันคือเค้าโครงสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ แผ่นข้อมูลแสดงให้เห็นดังต่อไปนี้

วิธีที่ดีที่สุดในการทำเช่นนี้คือการวาง CIN และ COUT ใกล้กับอุปกรณ์ที่มีร่องรอยสั้น ๆ ไปยัง VIN, VOUT และหมุดภาคพื้นดิน หมุดกราวด์ของตัวควบคุมควรเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก> กราวด์เพื่อให้ตัวควบคุมและตัวเก็บประจุมี "กราวด์จุดเดียว"

ฉันค่อนข้างสับสนกับคำว่า "จุดเดียว" แต่ฉันพยายามทำตามคำแนะนำในแผ่นข้อมูลให้ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้ - แต่ฉันไม่แน่ใจว่าถูกต้องหรือไม่:

โปรดทราบว่าข้อความที่เป็นสีแดงมีไว้เพื่อให้ความกระจ่างแก่ผู้คนที่นี่เท่านั้น - ฉันจะลบมันในภายหลัง ตัวควบคุมแต่ละตัวเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเก็บประจุและพินกราวด์ของตัวควบคุมจะเชื่อมต่อโดยตรงกับพินของตัวเก็บประจุโดยตรง แผ่นข้อมูลนี้มีความหมายว่าฉันควรทำอย่างไร?

แผ่นข้อมูลกล่าวต่อไป

เนื่องจากกระแสสูงไหลผ่านร่องรอยไปสู่ ​​VIN และมาจาก VOUT เคลวินเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่นำไปสู่พินเหล่านี้ดังนั้นจึงไม่มีแรงดันตกในอนุกรมที่มีตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต

เคลวินเชื่อมต่อหมายความว่าอย่างไร ฉันรู้ว่าการเชื่อมต่อของเคลวินคืออะไร - สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือความหมายในบริบทของ LDO

คำถามที่สามของฉันเกี่ยวข้องกับหน่วยงานกำกับดูแลทั้งสาม ดังที่ฉันได้กล่าวไปแล้ว IC แต่ละตัวอ้างอิงกราวด์จากเดียวกันผ่านทางที่เชื่อมต่อตัวเก็บประจุกับระนาบกราวด์ อย่างไรก็ตามฉันควรเชื่อมต่อตัวควบคุมทั้งสามเข้ากับจุดกราวด์เดียวกันหรือไม่เช่นนั้นทั้งสามตัวควบคุมควรเชื่อมต่อกับ "จุดกราวด์เดี่ยว / ผ่าน"

ในที่สุดแรงดันอินพุทจะถูกป้อนโดยตัวเชื่อมต่อผ่าน 4 จุดผ่านรูซึ่งมี 6V สำหรับตัวนำสองตัวและ GND อีกสองตัว หมุด GND เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนากับระนาบกราวด์ ตกลงหรือไม่ฉันควรเชื่อมต่อพิน GND กับพิน GND ของหน่วยงานกำกับดูแลโดยตรงผ่านทางร่องรอยหนาหรือไม่?

หมายเหตุ: รูปภาพเค้าโครงไม่แสดงอะไรที่เชื่อมต่อกับเอาท์พุทของหน่วยงานกำกับดูแล ไม่เป็นไร ฉันยังคงต้องเชื่อมต่อไอซีของฉันกับพลังงาน นอกจากนี้: สีน้ำตาลแดงภายใต้การควบคุมไม่ได้เป็นสุทธิ นี่เป็นวิธีแสดง Altium ของ "ห้อง" ในโครงร่าง PCB

ข้อกำหนดในปัจจุบัน

กระแสส่วนใหญ่มาจากแหล่งจ่ายไฟ 5V อุปกรณ์จ่ายไฟ 5V นั้นเชื่อมต่อกับจอ LCD ซึ่งจะทำให้เกิดสัญญาณสูงสุด 400mA (เมื่อเปิดแบ็คไลท์) - แต่โดยปกติประมาณ 250mA

แหล่งจ่าย 3.3V จะวาดสูงสุด 300mA (ไม่ต่อเนื่อง) แต่ปกติประมาณ 150mA หรือน้อยกว่า

1.8V เป็นอุปกรณ์สำหรับแกนหลักของ CPLDs ที่บอร์ดของฉันมี ฉันไม่สามารถประเมินสิ่งนี้ได้ แต่วัดได้ เมื่อเริ่มต้นนี่เป็นประมาณ 30mA แต่ลดลงเหลือ 0mA ดูเหมือนว่ามิเตอร์ของฉันไม่ไวพอที่จะวัดกระแสได้จริง ฉันคิดว่า 200mA น่าจะปลอดภัยสำหรับเรื่องนี้

เค้าโครงที่อัปเดตแล้ว:

ฉันหวังว่านี่คือสิ่งที่คนที่นี่หมายถึง ฉันไม่แน่ใจว่าฉันควรจะเททองแดงขนาดใหญ่หนึ่งอันหรือสามอันแยกกันฉันเลยไปกับ 3 อันแยกกัน

เค้าโครงที่ปรับปรุงแล้ว (อีกครั้ง):

ตอนนี้ฉันได้สร้างทองแดงยักษ์หนึ่งตัวแทนที่จะเป็น 3 ตัวอิสระ ฉันไม่แน่ใจว่าจะเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้า 3.3V ของฉันกับระนาบพลังงานของฉันโดยใช้หลาย ๆ จุดได้อย่างไรข้างต้นคือความพยายามของฉัน ฉันเติมสัญญาณเล็กน้อยและเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเก็บประจุเอาต์พุตของฉัน จากตรงนั้นฉันมี 4 จุดแวะขนาด 25 มิลเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบพลังงานของฉัน นี่เป็นวิธีที่ดีกว่าหรือไม่

ระยะห่างระหว่างการเติมและวัตถุอื่น ๆ คือประมาณ 15 ลัอ ฉันควรเพิ่มสิ่งนี้หรือไม่

แต่โดยรวมแล้วคุณคิดมากถึงความสำคัญของ GND มันสำคัญนะอย่าเข้าใจฉันผิด เป็นเพียงว่ามีสิ่งอื่น ๆ ที่สำคัญและการทำให้ GND ถูกต้องนั้นค่อนข้างง่าย

คุณระบุแรงดันคุณไม่ได้ระบุกระแส เราไม่รู้ความร้อนที่เกิดจาก LDO และความร้อนจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อวิธีการวาง PCB ฉันจะสมมติว่าความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย

นี่คือสิ่งที่ฉันจะทำ ...

1. หมุนแคปเปอร์ 90 องศา (บางครั้งตามเข็มนาฬิกาบางครั้งทวนเข็มนาฬิกา) สิ่งที่คุณกำลังทำอยู่คือการใส่แคปพิน GND เข้าด้วยกันและทำให้ระยะทางสั้นลงระหว่าง GND ของแอลดีโอและแคป
2. ทำให้ร่องรอยทั้งหมดของคุณกว้างขึ้น กว้างอย่างน้อยเท่ากับแผ่นที่เชื่อมต่ออยู่ ใช้ VIA หลายอันหากทำได้
3. ใส่เครื่องหมาย + 6v "ที่อื่น" ไม่ว่าจะทางด้านหลังของ PCB หรือทางด้านขวาของ LDO นี้จะทำให้รู้สึกในไม่ช้า
4. วางระนาบทองแดงที่ชั้นบนสุดใต้และรอบ ๆ สิ่งของทั้งหมด เชื่อมต่อสิ่งนี้กับเลเยอร์ GND โดยใช้ VIA หลายตัว ฉันจะใช้ประมาณ 10 vias ต่อ LDO ส่วนใหญ่รอบ ๆ GND pin ขนาดใหญ่ พิน GND ของทั้ง LDO และแคปควรเชื่อมต่อกับระนาบนี้โดยตรงโดยไม่มี "การระบายความร้อน" เครื่องบินลำนี้ควรมีขนาดใหญ่พอสมควรแม้ว่าขนาดที่แน่นอนขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่มีอยู่และความร้อนของ LDO ที่จะให้ออกไป 1 หรือ 2 ตารางนิ้วต่อ LDO เป็นการเริ่มต้นที่ดี

มีเหตุผลสองประการสำหรับระนาบทองแดง 1. มันให้ความร้อนจากสถานที่ของ LDO เพื่อไปกระจาย 2. ให้เส้นทางความต้านทานต่ำระหว่างตัวพิมพ์ใหญ่และ LDO

เหตุผลของจุดจบทั้งหมดคือ: 1. อนุญาตให้ความร้อนบางส่วนถูกถ่ายโอนไปยังเลเยอร์ GND 2. มันให้เส้นทางความต้านทานต่ำจาก LDO ไปยังชั้น GND

และเหตุผลในการติดตามร่องรอยที่เพิ่มขึ้นและหลายจุดแวะนั้นเป็นเพียงเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำ

อย่างไรก็ตามฉันจะเตือนคุณ: การทำเช่นนี้จะทำให้การบัดกรีด้วยมือยากขึ้น ระนาบทองแดง + vias จะต้องการดูดความร้อนออกจากหัวแร้งบัดกรีและบัดกรีจะไม่ละลายไปนานมาก (ถ้าเลย) คุณสามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้ด้วยการใช้หัวแร้งที่ร้อนกว่าหรือดีกว่า แต่ยังเตรียมความร้อนไว้ล่วงหน้าโดยใช้ปืนความร้อนเพื่อทำให้ PCB ทั้งหมดอุ่นขึ้นก่อน อย่าทำให้ร้อนพอที่จะทำให้ประสานประสาน (ใช้เตารีดธรรมดาของคุณสำหรับเรื่องนั้น) โดยการอุ่นบอร์ดทั้งหมดความต้องการที่วางอยู่บนเตารีดของคุณจะน้อยลง IMHO นี่ไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่เป็นสิ่งที่ต้องระวังและวางแผนไว้

วิธีนี้จะช่วยให้คุณเชื่อมต่อกับ GND ได้ดีกว่าสิ่งที่คุณได้บอกเราจากเอกสารข้อมูลทางเทคนิค

อัปเดตตามข้อมูลใหม่จากโปสเตอร์ต้นฉบับ:

เครื่องควบคุม 5v ของคุณกำลังปล่อย 6v ถึง 5v (ลดลง 1 volt) ที่ 400 mA นี่จะสร้างความร้อน 0.4 วัตต์ 6v ถึง 3.3v ที่ 150 mA = 0.4 วัตต์ 6v ถึง 1.8v ที่ 200 mA = 0.84 วัตต์ รวม 1.64 วัตต์สำหรับ LDO ทั้งสามตัว แม้ว่านี่จะไม่ได้บ้า แต่ก็เป็นปริมาณความร้อนที่พอเหมาะ หมายความว่าคุณต้องใส่ใจว่ามันจะเย็นตัวลงอย่างไรมิฉะนั้นมันจะร้อนเกินไป คุณพร้อมแล้วที่จะทำสิ่งนั้นให้ถูกต้อง

คุณต้องการระนาบเดียวไม่ใช่สามอัน และเครื่องบินควรยืดออกไปให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ผมแนะนำอย่างน้อยสองเท่าของพื้นที่ของ LDO ยิ่งเครื่องบินมีขนาดใหญ่เท่าใด หากเครื่องบินมีขนาดใหญ่มากคุณต้องใส่จุดอ่อนอย่างน้อยสี่จุดต่อตารางนิ้ว โดยการแชร์เครื่องบินหน่วยงานกำกับดูแลทั้งสามกำลังแบ่งปันความเย็น หากคุณไม่ทำเช่นนี้ผู้ควบคุมคนหนึ่งอาจร้อนขึ้นในขณะที่อีกสองคนอบอุ่น

การเพิ่มประสิทธิภาพอีกอย่างที่คุณสามารถทำได้คือ + 6v มาที่แต่ละ LDO ในขณะที่มันไปรอบ ๆ หมวกเพื่อ LDO เพียงแค่มีมันเข้าไปในหมวกโดยไม่ต้องพันรอบ สิ่งนี้จะช่วยให้คุณใช้การติดตามที่หนาขึ้นและทำให้สิ่งต่าง ๆ สั้นลงเล็กน้อย เครื่องบิน GND จำนวนเล็กน้อยที่พันรอบตัวหมวกนั้นไม่ได้ช่วยอะไรมาก

คุณจะต้องการจุดแวะหลายจุดจากเอาท์พุตของ LDO ไปทุกที่ที่กำลังเกิดขึ้น ไม่ใช่แค่ซิงเกิ้ลที่คุณมีตอนนี้

โดย "Kelvin เชื่อมต่อ" หมายถึง: ใส่ร่องรอยสองอันแยกกันแต่ละหมุด Vin และ Vout - หนึ่งรอย "กระแสต่ำ" ที่เชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุเท่านั้นและหนึ่งรอย "กระแสสูง" ไปยังสิ่งภายนอก สิ่งนี้คล้ายกับ (และด้วยเหตุผลเดียวกันกับ) ตัวต้านทาน shunt ตัวต้านทานในปัจจุบันใช้การเชื่อมต่อ Kelvinด้วยการเชื่อมต่อที่แยกกันสองจุดไปยังปลายแต่ละด้านของตัวต้านทานนั้น

คุณกำลังทำสิ่งนั้นอยู่แล้วและคุณได้วางระนาบกราวด์ไว้ใต้ทุกอย่างแล้วดังนั้นเค้าโครง PCB ของคุณจึงดูดี

ดูเหมือนว่าคุณกำลังใช้พื้นที่ที่แนะนำ "ขั้นต่ำ" สำหรับแพคเกจนี้ - โดยส่วนตัวแล้วฉันจะใช้ทองแดงมากขึ้น แต่บางทีใบสมัครของคุณกระจายความร้อนเล็กน้อยจนไม่จำเป็น ข

ในการออกแบบที่ฉันทำนั้นมีรางไฟหลายอันฉันมักจะมีชิ้นส่วนทั้งหมดที่ต้องใช้รางไฟหนึ่งชุดด้วยกันและชิ้นส่วนทั้งหมดที่ต้องการพลังงานอื่นที่อื่นดังนั้นฉันจึงวางตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแต่ละชิ้นไว้ใกล้กับชิ้นส่วนที่ต้องการ มัน. (จะดีกว่าถ้าร่องรอยแรงดันไฟฟ้า "ไร้การควบคุม" งูยาวไปทั่วบอร์ดและลดลงหนึ่งร้อยมิลลิโวลต์หรือมากกว่านั้นถ้าแรงดันไฟฟ้า "ควบคุม" ทำเหมือนกันมันหลีกเลี่ยงการบรรจุสิ่งร้อนเข้าด้วยกัน)

ในขณะที่คุณวางแคปไว้ที่ "แนวหน้า" ของตัวปรับผมวางแคปไว้ที่ "ปีก" ของตัวปรับ สิ่งนี้ทำให้กราวด์ของแคปใกล้กับแท็บกราวด์จริงของเรกกูเลเตอร์ในขณะที่ยังยอมให้การเชื่อมต่อเคลวินกับแคป Vin และ Vout ในฐานะโบนัสคุณไม่จำเป็นต้อง "งู" รอบ ๆ หมวกเพื่อไปยังขาของ Vin regulator อีกต่อไป

ฉันยังวางแผ่นพื้นขนาดใหญ่ที่ดีในชั้นล่างและเชื่อมต่อกับจุดอ่อนมากมาย เป็นสิ่งสำคัญที่คุณจะต้องทำแผ่นอิเล็กโทรดเพื่อไม่ให้มีหน้ากากประสานอยู่ (หรือคุณอาจวางโมฆะลงบนชั้นประสานด้านล่างได้เช่นเดียวกัน) การขาดหน้ากากประสานช่วยเพิ่มการนำความร้อนกับอากาศ อย่าทำอย่างนี้กับแผ่นเสริมด้านบน แต่มันอาจทำให้การประกอบยากขึ้น

เกี่ยวกับขั้วต่อเพาเวอร์ฉันจะเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบกราวด์ อย่างที่เดวิดพูดไว้คุณจะไม่สามารถใหญ่ขึ้นหรืออ้วนขึ้นกว่าเครื่องบิน แก้ไข: เว้นแต่ตัวเชื่อมต่ออาจห่างจากหน่วยงานกำกับดูแลเพียงหนึ่งหรือสองนิ้ว ฉันจะยังคงใช้จุดแวะนอกเหนือไปจากร่องรอยดินไขมันขนาดใหญ่ที่ชั้นบนสุด มากกว่าหนึ่งหรือสองนิ้วและมันไม่คุ้มค่า ณ จุดนั้นการติดตามอาจจะมีความต้านทานมากกว่าจุดแวะ

แรงดันไฟฟ้าหลักของ CPLD แทบจะไม่ได้วาด 200 mA เว้นแต่ว่าคุณจะมี 10 ของพวกเขาทำงานที่ 50 MHz หรืออะไรทำนองนั้น ค้นหากระแสไดนามิกสูงสุดในแผ่นข้อมูลเพื่อให้ได้ตัวเลขที่สมจริงยิ่งขึ้น หรือตั้งโปรแกรม CPLD เพื่อสลับเร็วที่สุดและบ่อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และวัดปริมาณการใช้ปัจจุบันอีกครั้ง (ซึ่งจะไม่ใช้กระแสใด ๆ เมื่อตรรกะหลักไม่เปลี่ยนสถานะ) ตัวอย่าง Xilinx CPLD ที่ฉันพบมีกระแสสูงสุดที่ขึ้นอยู่กับความถี่ส่วนใหญ่และเปลี่ยนจาก uA นับร้อยเป็น mA หลายสิบตัว

ฉันจะพิจารณาเรียงลำดับตัวควบคุม 1.8V ออกจากตัวควบคุม 3.3V เอาท์พุท สิ่งนี้จะลดการใช้พลังงานของผู้ควบคุม 1.8V ลง 65% โดยมีค่าใช้จ่ายในการเพิ่มการกระจาย 3.3V โดยกระแสไฟฟ้าเพิ่มเติม คุณควรกระทืบตัวเลขเพื่อดูว่ามันมีค่าหรือไม่ แต่โบนัสที่ดีมากคือคุณได้รับการปฏิเสธระลอกสองครั้งเมื่อคุณควบคุมหน่วยงาน

เคล็ดลับในแผนกความร้อนคือการลงทุนในเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด (พวกเขาเหมือน USD $ 20) นี่เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการรับการวัดอุณหภูมิโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากพื้นผิวสีดำของไอซีมักจะมีการปล่อยรังสีที่ดี ฉันมักจะสร้างเฟิร์มแวร์พิเศษที่จงใจใช้ทรัพยากรมากกว่าที่จำเป็นเพื่อรับการวัด "การทดสอบความเครียด" ในขณะที่ทิ้ง PCB ไว้ในกล่องหุ้มเป็นเวลาหนึ่งหรือสองชั่วโมงเพื่อให้ฉันมั่นใจว่าอุณหภูมิจะคงที่

สุดท้ายในขณะที่มันไม่ได้ทำให้คุณเจ็บที่จะทำให้ทองแดงขนาดมหึมาไหลไปทั่วทั้งห้องนี่เป็นความคิดที่ไม่ดีถ้าคุณใช้หน่วยควบคุมสองตัวของแรงดันไฟฟ้าเดียวกันในแบบคู่ขนาน เนื่องจากความคลาดเคลื่อนในการผลิตผู้ควบคุมหนึ่งจะเริ่มร้อนขึ้นกว่าคนอื่นทำให้เกิดความต้านทานต่ำซึ่งหมายถึงกระแสที่มากขึ้นซึ่งหมายถึงความร้อนที่มากขึ้นซึ่งหมายถึงความต้านทานที่ลดลง ... จนกว่าคุณจะได้รับความร้อน นี่ไม่ใช่ข้อกังวลในใบสมัครปัจจุบันของคุณ แต่เป็นสิ่งที่ควรคำนึงถึงในอนาคต

ตัวเลือกที่ดีที่สุดให้วางระนาบกราวด์ไว้ใต้ LDO ทั้งสามเพราะนั่นคือแนวทางที่คุณทำทุกอย่างดูดีจากการจัดวาง

ตัวเลือกที่ดีที่สุดอันดับที่ 2 ทำเครือข่ายภาคพื้นดินหากคุณไม่มีความสามารถในการปล่อยระนาบกราวด์