Conselho de layout para LDOs

Estou desenvolvendo uma placa de quatro camadas que é alimentada por 3 voltagens - 1.8V, 3.3V e 5.0V. O quadro possui o seguinte empilhamento:

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

O solo e o plano de 3,3V são completamente ininterruptos. Nenhum sinal ou traço de energia viaja sobre eles.

Estou usando três LDOs LP38690DT para fornecer energia - eis o meu circuito.

Clique aqui para ampliar a imagem.

Minha preocupação é o layout desses dispositivos. A folha de dados sugere o seguinte

A melhor maneira de fazer isso é colocar CIN e COUT próximo ao dispositivo, com traços curtos nos pinos VIN, VOUT e terra. O pino de aterramento do regulador deve ser conectado ao circuito externo> terra, para que o regulador e seus capacitores tenham um "aterramento de ponto único".

Fiquei um pouco confuso com o termo "ponto único", mas tentei seguir o conselho fornecido na ficha técnica da melhor maneira possível - mas não tenho certeza se estou correto:

Observe que o texto em vermelho está lá apenas para esclarecer as pessoas aqui - eu o excluirei depois. Cada regulador é conectado diretamente aos capacitores e o pino de aterramento do regulador é conectado diretamente ao pino de aterramento do capacitor. É isso que a folha de dados significa que devo fazer?

A folha de dados continua dizendo

Como a corrente alta flui através dos traços que entram no VIN e provenientes do VOUT, a Kelvin conecta os cabos do capacitor a esses pinos para que não haja queda de tensão em série com os capacitores de entrada e saída.

O que significa Kelvin connect? Sei o que é uma Conexão Kelvin - o que não entendo é o que isso significa no contexto de um LDO.

Minha terceira pergunta é sobre os três reguladores. Como eu mencionei, cada CI está referenciando o terra pela mesma via que conecta seus capacitores ao plano de terra. No entanto, devo conectar todos os três reguladores ao mesmo ponto de aterramento, ou seja, todos os três reguladores devem ser conectados ao "único ponto de aterramento / via"?

Finalmente, a tensão de entrada está sendo alimentada por um conector de orifício de 4 pontos que transporta 6V em dois condutores e GND nos outros dois. Os pinos GND são conectados diretamente ao plano de aterramento. Isso está bom ou devo conectar os pinos GND aos pinos GND dos reguladores diretamente através de traços grossos?

NOTA: a imagem do layout não mostra nada conectado à saída dos reguladores. Isto está bom. Eu ainda tenho que conectar meus CIs ao poder. TAMBÉM: a cor marrom abaixo dos reguladores não é uma rede. Esta é a maneira da Altium de mostrar "Salas" no layout da placa de circuito impresso.

REQUISITOS ATUAIS

A maior parte da corrente é extraída da fonte de 5V. A fonte de 5V se conecta a um display LCD que consumirá no máximo de 400mA (quando a luz de fundo está ligada) - mas normalmente em torno de 250mA.

A fonte de 3,3V consumirá um máx. de 300mA (descontínuo), mas normalmente em torno de 150mA ou menos.

O 1,8V é o suprimento para o núcleo dos CPLDs que minha diretoria possui. Não consegui estimar isso, mas o medi. Na inicialização, isso foi em torno de 30mA, mas depois reduzido para 0mA. Parece que meu medidor não era sensível o suficiente para medir a corrente. Eu acho que 200mA seria uma aposta segura para isso.

LAYOUT ATUALIZADO:

Espero que seja isso o que as pessoas aqui quiseram dizer. Eu não tinha certeza se eu deveria colocar um copo grande de cobre ou três separados, então eu fui com três separados.

LAYOUT ATUALIZADO (novamente):

Agora eu fiz um derrame de cobre gigante em vez de três independentes. Eu não tinha certeza de como conectar minha tensão de 3,3V ao meu plano de energia usando várias vias; portanto, a tentativa acima é minha. Fiz um pequeno preenchimento e o conectei diretamente ao meu capacitor de saída. De lá, tenho 4 vias, cada uma com 25 moinhos, conectando-me diretamente ao meu avião de força. Essa é a melhor maneira de fazer isso?

A folga entre os preenchimentos e outros objetos é de cerca de 15 moinhos. Devo aumentar isso?

Mas, no geral, você está pensando demais na importância do GND. É importante, não me interpretem mal. Só que há outras coisas que são tão importantes, e obter o GND correto é relativamente fácil.

Você especificou as tensões, não especificou a corrente. Sem conhecer a corrente, não sabemos o calor gerado pelos LDOs. E o calor influenciará bastante a maneira como o PCB é colocado. Eu vou assumir que o calor gerado não é trivial.

Aqui está o que eu faria ...

1. Gire as tampas 90 graus (às vezes no sentido horário, às vezes no sentido anti-horário). O que você está fazendo é colocar os pinos GND das tampas e diminuir a distância entre a GND da LDO e as tampas.
2. Faça todos os seus traços mais amplos. Pelo menos tão largo quanto o bloco ao qual está se conectando. Use vários VIA, se puder.
3. Coloque os traços de + 6v "em outro lugar". Na parte traseira da PCB ou no lado direito da LDO. Isso fará sentido em breve.
4. Coloque um plano de cobre na camada superior, embaixo e ao redor da coisa toda. Conecte isso à camada GND usando vários VIAs. Eu usaria cerca de 10 vias por LDO, principalmente em torno do enorme pino GND. O pino GND dos LDOs e tampas deve ser conectado diretamente a este plano, sem nenhum "alívio térmico". Esse plano deve ser razoavelmente grande, embora o tamanho exato dependa do espaço disponível e da quantidade de calor que o LDO estará emitindo. 1 ou 2 polegadas quadradas por LDO é um bom começo.

Existem duas razões para o avião de cobre. 1. Fornece o calor do LDO em algum lugar para ser dissipado. 2. Ele fornece um caminho de baixa impedância entre as tampas e o LDO.

O motivo de todas as vias são: 1. Permite que parte do calor seja transferida para a camada GND. 2. Ele fornece um caminho de baixa impedância da camada LDO para a camada GND.

E a razão para os traços mais gordurosos e múltiplas vias é simplesmente para um caminho de impedância mais baixa.

No entanto, vou avisá-lo: fazer isso dificulta a soldagem manual do LDO. Os aviões + vias de cobre desejarão sugar o calor do ferro de soldar e a solda não ficará derretida por muito tempo (se houver). Você pode contornar isso um pouco usando um ferro de soldar mais quente ou, melhor ainda, pré-aquecer as coisas usando uma pistola de calor para aquecer primeiro a PCB inteira. Não aqueça o suficiente para derreter a solda (use seu ferro normal para isso). Ao pré-aquecer toda a placa, as demandas impostas ao seu ferro serão menores. IMHO, isso não é grande coisa, mas é algo para estar ciente e planejar.

Esse método também fornecerá uma boa conexão com o GND, muito melhor do que tudo o que você nos contou nas planilhas de dados.

Atualização, com base nas novas informações do pôster original:

Seu regulador de 5V está caindo de 6v para 5v (uma queda de 1 volt) a 400 mA. Isso vai produzir 0,4 watts de calor. 6v a 3.3v a 150 mA = 0,4 watts. 6v a 1,8v a 200 mA = 0,84 watts. Total de 1,64 watts para todos os três LDOs. Enquanto isso não é louco, é uma quantidade razoável de calor. Isso significa que você deve prestar atenção em como isso vai esfriar, caso contrário, ele superaquecerá. Você está no caminho certo para fazer isso corretamente.

Você quer um único avião, não três. E o avião deve se estender o máximo possível, eu recomendo pelo menos o dobro da área dos LDOs. Quanto maior o plano, melhor o efeito de resfriamento. Se o avião for realmente grande, convém colocar pelo menos quatro vias para cada centímetro quadrado. Ao compartilhar o avião, os três reguladores estão compartilhando o resfriamento. Se você não fizer isso, um regulador pode ficar muito quente enquanto os outros dois estão apenas quentes.

Outra otimização que você pode fazer é como o + 6v chega a cada LDO. No momento, ele gira em torno da tampa, até o LDO. Basta colocá-lo diretamente na tampa, sem enrolá-lo. Isso permitirá que você use traços mais espessos e mantenha as coisas um pouco mais curtas. Essa pequena quantidade de avião GND que envolve a tampa não está ajudando muito de qualquer maneira.

Você precisará de várias vias da saída do LDO para onde quer que essa energia esteja indo. Não é apenas a única via que você tem agora.

Por "conexão Kelvin", eles significam: Coloque dois traços separados em cada um dos pinos Vin e Vout - um traço de "baixa corrente" que se conecta apenas ao capacitor e um traço de "alta corrente" a coisas externas. Isso é muito semelhante aos (e pelas mesmas razões que) os resistores de derivação de sensor de corrente usam uma conexão Kelvin com duas conexões separadas para cada extremidade desse resistor.

Você já está fazendo isso e já está colocando um plano de terra sólido por baixo de tudo, para que o layout da sua PCB fique ótimo.

Parece que você está usando o tamanho mínimo recomendado para este pacote - pessoalmente, eu usaria muito mais cobre, mas talvez seu aplicativo dissipe tão pouco calor que não seja necessário. a b

Nos projetos que fiz que possuem vários trilhos de força, muitas vezes tenho todas as peças que precisam de um trilho de força juntas e todas as peças que precisam da outra energia em outro lugar; por isso, coloquei cada regulador de tensão próximo às peças que precisam isto. (É melhor se o traçado de tensão "não regulamentado" percorrer um longo caminho através da placa e cair cem milivolts ou mais do que se o traço de tensão "regulado" fizer o mesmo. Ele também evita empacotar todas as coisas quentes).

Enquanto você coloca as tampas na "linha de frente" do regulador, eu as coloco no "flanco" do regulador. Isso coloca o solo das tampas mais próximo da guia de aterramento real do regulador, enquanto ainda permite uma conexão Kelvin às tampas de Vin e Vout. Como bônus, você não precisará "serpentear" as tampas para chegar ao alfinete de Vin do regulador.

Também coloquei um bom bloco de massa na camada inferior e conectei-o a várias vias. É importante que você faça deste um bloco para que ele não tenha nenhuma máscara de solda (ou você pode simplesmente colocar um vazio na camada de solda inferior, a mesma coisa). A falta de máscara de solda melhora a condutividade térmica com o ar. Não faça isso com a almofada superior, pois isso pode dificultar a montagem.

Em relação ao conector de alimentação, eu o conectaria diretamente ao plano de aterramento. Como David disse, você não pode ficar maior ou mais gordo que um avião. EDIT: A menos que talvez o conector esteja a apenas uma polegada ou duas dos reguladores. Eu ainda usaria vias, além de um grande rastro de gordura na camada superior. Mais de uma polegada ou duas e não vale a pena, nesse ponto o traço provavelmente teria mais impedância do que as vias.

A tensão do núcleo do CPLD quase certamente não consumirá 200 mA, a menos que você tenha 10 deles rodando a 50 MHz ou algo assim. Consulte a corrente dinâmica máxima na folha de dados para obter uma figura mais realista. Ou programe as CPLDs para alternar o mais rápido e frequentemente possível e medir novamente o consumo de corrente (não consumirá corrente quando a lógica principal não estiver mudando de estado). O exemplo do CPLD da Xilinx que encontrei possuía uma corrente máxima que depende muito da frequência e variava de centenas de uA a dezenas de mA.

Eu consideraria em cascata o regulador de 1,8V da saída dos reguladores de 3,3V. Isso reduzirá o consumo de energia dos reguladores de 1,8V em 65%, à custa de aumentar a dissipação de 3,3V por corrente adicional. Você deve analisar os números para ver se vale a pena (geralmente é quando o regulador menor consome menos corrente que o regulador maior). Mas um bônus muito bom é que você recebe o dobro da rejeição de ondulações quando conecta os reguladores.

Outra dica no departamento de aquecimento é investir em um termômetro infravermelho (US $ 20). Essa é uma ótima maneira de obter medições de temperatura, principalmente porque a superfície preta dos CIs geralmente possui uma grande emissividade. Geralmente, crio firmware especial que intencionalmente usa mais recursos do que o necessário para obter medições de "teste de estresse", enquanto deixo a PCB no gabinete por uma ou duas horas, de modo que estou confiante de que alcançou uma temperatura estável.

Finalmente, embora não seja prejudicial fazer um cobre gigantesco vazar por toda a sala, seria uma má idéia se você estivesse usando dois reguladores da mesma tensão em paralelo. Devido às tolerâncias de fabricação, um regulador começará a ficar mais quente que o outro, resultando em uma impedância mais baixa, o que significa mais corrente, o que significa mais calor, o que significa menor impedância ... até você ficar descontrolado. Isso não é uma preocupação no seu aplicativo atual, mas é algo a ter em mente no futuro.

A melhor opção é colocar um plano de terra embaixo dos três LDOs. Como essa foi a abordagem que você adotou, tudo fica bem no seu layout.

2ª Melhor opção, faça uma rede terrestre em estrela se você não tiver a capacidade de soltar um plano terrestre.