Consejos de diseño para LDO

Estoy desarrollando una placa de cuatro capas que funciona con 3 voltajes: 1.8V, 3.3V y 5.0V. El tablero tiene el siguiente apilamiento:

1. Señales
2. Suelo
3. 3.3V
4. Señales

La tierra y el plano de 3.3V están completamente intactos. Ninguna señal o rastro de potencia viaja sobre ellos.

Estoy usando tres LDO LP38690DT para proporcionar energía: aquí está mi circuito.

Haga clic aquí para ampliar la imagen.

Mi preocupación es el diseño de estos dispositivos. La hoja de datos sugiere lo siguiente

La mejor manera de hacer esto es colocar CIN y COUT cerca del dispositivo con trazas cortas a los terminales VIN, VOUT y tierra. El pin de tierra del regulador debe conectarse al circuito externo> tierra para que el regulador y sus condensadores tengan una "tierra de punto único".

Estaba algo confundido por el término "punto único" pero intenté seguir los consejos dados en la hoja de datos lo mejor que pude, pero no estoy seguro de si estoy en lo correcto:

Tenga en cuenta que el texto en rojo solo está ahí para dar claridad a la gente aquí; lo eliminaré después. Cada regulador está conectado directamente a los condensadores y el pin de tierra del regulador está conectado directamente al pin de tierra del condensador directamente. ¿Es esto lo que la hoja de datos significa que debo hacer?

La hoja de datos continúa diciendo

Dado que la corriente alta fluye a través de las trazas que van a VIN y provienen de VOUT, Kelvin conecta los cables del capacitor a estos pines para que no haya caída de voltaje en serie con los capacitores de entrada y salida.

¿Qué significa Kelvin connect? Sé lo que es una conexión Kelvin: lo que no entiendo es qué significa en contexto para un LDO.

Mi tercera pregunta es con respecto a los tres reguladores. Como mencioné, cada IC hace referencia a tierra desde la misma vía que conecta sus condensadores al plano de tierra. Sin embargo, ¿debo conectar los tres reguladores al mismo punto de tierra, es decir, los 3 reguladores deben conectarse al "punto de tierra único / vía"?

Finalmente, el voltaje de entrada está siendo alimentado por un conector de orificio pasante de 4 puntos que transporta 6V en dos conductores y GND en los otros dos. Los pines GND están conectados directamente al plano de tierra. ¿Está bien o debo conectar los pines GND a los pines GND de los reguladores directamente a través de trazas gruesas?

NOTA: la imagen de diseño no muestra nada conectado a la salida de los reguladores. Esto esta bien. Todavía tengo que conectar mis circuitos integrados al poder. TAMBIÉN: el color granate debajo de los reguladores no es una red. Esta es la forma en que Altium muestra "Habitaciones" en el diseño de PCB.

REQUISITOS ACTUALES

La mayor parte de la corriente se extrae del suministro de 5V. El suministro de 5V se conecta a una pantalla LCD que dibujará un máximo. de 400 mA (cuando la luz de fondo está encendida), pero normalmente alrededor de 250 mA.

El suministro de 3.3V dibujará un máximo. de 300 mA (discontinuo) pero normalmente alrededor de 150 mA o menos.

El 1.8V es el suministro para el núcleo de los CPLD que tiene mi placa. No pude estimar esto, pero lo he medido. Al inicio, esto era alrededor de 30 mA pero luego se redujo a 0 mA. Parece que mi medidor no era lo suficientemente sensible como para medir realmente la corriente. Creo que 200 mA sería una apuesta segura para esto.

DISEÑO ACTUALIZADO:

Espero que esto sea lo que querían decir aquí. No estaba seguro de si debería verter un cobre grande o tres por separado, así que elegí 3 por separado.

DISEÑO ACTUALIZADO (nuevamente):

Ahora he hecho un vertido de cobre gigante en lugar de 3 independientes. No estaba seguro de cómo conectar mi voltaje de 3.3V a mi plano de energía usando múltiples vías, por lo que lo anterior es mi intento. Hice un pequeño relleno y lo conecté directamente a mi condensador de salida. A partir de ahí tengo 4 vías, cada una de 25 millones de tamaño, conectadas directamente a mi avión de potencia. ¿Es esta una mejor manera de hacerlo?

El espacio libre entre los rellenos y otros objetos es de aproximadamente 15 molinos. ¿Debo aumentar esto?

Pero, en general, está pensando demasiado en la importancia de GND. Es importante, no me malinterpretes. Es solo que hay otras cosas que son tan importantes, y obtener el GND correcto es relativamente fácil.

Usted especificó los voltajes, no especificó la corriente. Sin conocer la corriente, no sabemos el calor generado por los LDO. Y el calor influirá enormemente en la forma en que se distribuye la PCB. Voy a suponer que el calor generado no es trivial.

Esto es lo que haría ...

1. Gire las tapas 90 grados (a veces en sentido horario, a veces en sentido antihorario). Lo que está haciendo es juntar los pines GND de las tapas y acortar la distancia entre la GND del LDO y las tapas.
2. Amplía todos tus rastros. Al menos tan ancho como el pad al que se está conectando. Use múltiples VIA si puede.
3. Ponga los rastros + 6v "en otro lugar". Ya sea en la parte posterior de la PCB o a la derecha de los LDO. Esto tendrá sentido en breve.
4. Coloque un plano de cobre en la capa superior, debajo y alrededor de todo. Conéctelo a la capa GND utilizando múltiples VIA. Usaría aproximadamente 10 vias por LDO, principalmente alrededor del enorme pin GND. El pin GND de los LDO y las tapas se debe conectar a este plano DIRECTAMENTE, sin ningún "alivio térmico". Este avión debe ser razonablemente grande, aunque el tamaño exacto depende del espacio disponible y de la cantidad de calor que emitirán los LDO. 1 o 2 pulgadas cuadradas por LDO es un buen comienzo.

Hay dos razones para el plano de cobre. 1. Da el calor del LDO a algún lugar para que se disipe. 2. Proporciona una ruta de baja impedancia entre las tapas y el LDO.

La razón de todas las vías son: 1. Permite que parte del calor se transfiera a la capa GND. 2. Proporciona una ruta de baja impedancia desde el LDO a la capa GND.

Y la razón de las trazas más gordas y las vías múltiples es simplemente una ruta de menor impedancia.

Sin embargo, le advertiré: Hacer esto dificultará la soldadura manual de los LDO. Los planos de cobre + vías querrán absorber el calor del soldador y la soldadura no se derretirá por mucho tiempo (si es que lo hace). Puede solucionar esto de alguna manera usando un soldador más caliente, o mejor aún precalentando cosas usando una pistola de calor para calentar primero toda la PCB. No lo caliente lo suficiente como para derretir la soldadura (use su hierro normal para eso). Al precalentar toda la tabla, las demandas de su plancha serán menores. En mi humilde opinión, esto no es un gran problema, pero es algo a tener en cuenta y planificar.

Este método también le dará una buena conexión a GND, mucho mejor que cualquier cosa que nos haya dicho en las hojas de datos.

Actualización, basada en nueva información del póster original:

Su regulador de 5v está bajando 6v a 5v (una caída de 1 voltio) a 400 mA. Esto va a producir 0.4 vatios de calor. 6v a 3.3v a 150 mA = 0.4 vatios. 6v a 1.8v a 200 mA = 0.84 vatios. Total 1.64 vatios para los tres LDO. Si bien esto no es una locura, es una buena cantidad de calor. Lo que significa que debe prestar atención a cómo se va a enfriar, de lo contrario se sobrecalentará. Estás bien encaminado para hacerlo correctamente.

Quieres un solo avión, no tres. Y el avión debe extenderse lo más posible, le recomiendo al menos duplicar el área de los LDO. Cuanto más grande sea el avión, mejor será el efecto de enfriamiento. Si el avión es realmente grande, entonces querrás poner al menos cuatro vías por cada pulgada cuadrada. Al compartir el avión, los tres reguladores comparten el enfriamiento. Si no hiciste esto, entonces un regulador podría calentarse mucho mientras que los otros dos solo están calientes.

Otra optimización que puede hacer es cómo entra el + 6v en cada LDO. Por el momento va alrededor de la tapa, a la LDO. Solo tiene que ir directamente a la tapa, sin envolver. Esto te permitirá utilizar trazas más gruesas y hacer que las cosas sean un poco más cortas. Esa pequeña cantidad de avión GND que se envuelve alrededor de la tapa no ayuda mucho de todos modos.

Querrá varias vías desde la salida del LDO a donde sea que vaya esa potencia. No solo el sencillo que tienes ahora.

Por "Kelvin connect", quieren decir: Coloque dos trazas separadas para cada uno de los pines Vin y Vout: una traza de "baja corriente" que solo se conecta al condensador y una traza de "alta corriente" a cosas externas. Esto es muy similar a (y por las mismas razones que) las resistencias de derivación de detección de corriente usan una conexión Kelvin con dos conexiones separadas a cada extremo de esa resistencia.

Ya lo está haciendo, y ya está poniendo un plano de tierra sólido debajo de todo, por lo que su diseño de PCB se ve muy bien.

Parece que está utilizando la huella recomendada "mínima" para este paquete: personalmente usaría mucho más cobre, pero tal vez su aplicación disipe tan poco calor que no sea necesario. a b

En los diseños que he hecho que tienen múltiples rieles de alimentación, a menudo tengo todas las partes que necesitan un riel de alimentación junto, y todas las partes que necesitan la otra potencia en otro lugar, por lo que coloco cada regulador de voltaje cerca de las partes que necesitan eso. (Es mejor si el rastro de voltaje "no regulado" avanza un largo camino en el tablero y cae cien milivoltios más o menos que si el rastro de voltaje "regulado" hace lo mismo. También evita empacar todas las cosas calientes).

Mientras que pones las tapas en la "primera línea" del regulador, yo pongo mis tapas en el "flanco" del regulador. Esto pone el suelo de las tapas más cerca de la pestaña de tierra real del regulador, al tiempo que permite una conexión Kelvin a las tapas Vin y Vout. Como beneficio adicional, ya no necesitará "serpentear" alrededor de las tapas para llegar al pin Vin del regulador.

También puse una gran almohadilla de tierra grande en la capa inferior y la conecté con un montón de vías. Es importante que lo conviertas en una almohadilla para que no tenga ninguna máscara de soldadura (o podrías dejar un vacío en la capa de soldadura inferior, lo mismo). La falta de máscara de soldadura mejora la conductividad térmica con el aire. Sin embargo, no haga esto con la almohadilla superior, ya que podría dificultar el montaje.

Con respecto al conector de alimentación, lo conectaría directamente al plano de tierra. Como dijo David, no se puede engordar ni engordar más que un avión. EDITAR: a menos que tal vez el conector esté a solo una pulgada o dos de los reguladores. Todavía usaría vias, además de un gran rastro de tierra gruesa en la capa superior. Más de una pulgada o dos y no vale la pena, en ese punto la traza probablemente tendría más impedancia que las vías.

El voltaje central de CPLD seguramente no consumirá 200 mA a menos que haya 10 de ellos funcionando a 50 MHz o algo así. Busque la corriente dinámica máxima en la hoja de datos para obtener una figura más realista. O programe los CPLD para alternar lo más rápido y con mayor frecuencia posible y volver a medir el consumo de corriente (no consumirá ninguna corriente cuando la lógica central no cambie de estado). El ejemplo de Xilinx CPLD que encontré tenía una corriente máxima que depende en gran medida de la frecuencia y variaba de cientos de uA a docenas de mA.

Consideraría conectar en cascada el regulador de 1.8V de la salida de los reguladores de 3.3V. Esto reducirá el consumo de energía de los reguladores de 1.8V en un 65%, a expensas de aumentar la disipación de 3.3V por una corriente adicional. Debería analizar los números para ver si esto vale la pena (generalmente es cuando el regulador más pequeño consume menos corriente que el regulador más grande). Pero una ventaja muy buena es que obtienes el doble de rechazo de ondas cuando conectas en cascada los reguladores.

Otro consejo en el departamento de calefacción es invertir en un termómetro infrarrojo (son como USD $ 20). Esta es una excelente manera de obtener mediciones de temperatura, especialmente porque la superficie negra de los circuitos integrados a menudo tiene una gran emisividad. Por lo general, creo un firmware especial que utiliza intencionalmente más recursos de los necesarios para obtener mediciones de "prueba de esfuerzo", mientras dejo la PCB en el gabinete durante una hora o dos, de modo que estoy seguro de que alcanzó una temperatura de estado estable.

Finalmente, si bien no le hará daño hacer un vertido de cobre gigantesco para toda la habitación, sería una mala idea si estuviera usando dos reguladores del mismo voltaje en paralelo. Debido a las tolerancias de fabricación, un regulador comenzará a calentarse más que el otro, lo que dará como resultado una impedancia más baja, lo que significa más corriente, lo que significa más calor, lo que significa una impedancia más baja ... hasta que obtenga un escape térmico. Eso no es una preocupación en su aplicación actual, pero es algo a tener en cuenta en el futuro.

La mejor opción, coloque un plano de tierra debajo de los tres LDO, ya que ese es el enfoque que tomó, todo se ve bien desde su diseño.

Segunda mejor opción, haga una red de tierra estelar si no tiene la capacidad de soltar un plano de tierra.