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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wieder mal: Schaltregler-Layout


Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hallo,
ich bin beim Gurgeln zufällig auf folgende AppNote von Analog Devices 
gestossen:

http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vo...

Dort wird etwas über das korrekte Layouten der Masse in 
Schaltregler-Designs gesagt.
Ich habe mal, so aus reiner Neugier, versucht, das umzusetzen. Es heisst 
in der AppNote, dass ein gutes Schaltregler-Layout eine möglichst kleine 
Änderung der Stromschleifen aufweist.
Im Anhang findet ihr jetzt mal ein Layout mit einem LM2676-S von 
National (lm2676_top.png):

U1 -> Schaltregler
C2 -> 100 nF Kerko am Eingang des Schaltregler
C4 -> Eingangselko (Tantal)
C3 -> Ausgangselko (enebfalls Tantal)
V1 -> Diode
L1 -> Drossel
C1 -> Boost-Kerko

So, und nun ist im Bild lm2676_current_1.png ist der Strom 
eingezeichnet, der fliesst, wenn der Schalttransistor im Regler leitet. 
Er fliesst aus dem Regler heraus, durch die Drossel, in den 
Ausgangs-Elko und von diesem zurück in den Einganselko. Der Strom macht 
diesen Umweg unten, weil das GND-Polygon dort geschlitzt ist 
(eingezeichnet in lm2676_groundplane_cut.png).

Wenn der Regler dann ausschaltet, dann fliesst der Strom, so wie in 
lm2676_current_2.png eingezeichnet. Hier wird aufgrund des Schlitzes im 
Groundplane der Strom auf den selben "Umweg" gezwungen, den er schon 
während der Einschaltphase hatte - sprich, die vom Strom aufgespannte 
Fläche ändert sich so gut wie gar nicht. Also genau gemäss dieser 
AppNote.

Meine Frage jetzt: ist sowas ein gutes Layout? Das mit den 
Stromschleifen erscheint mir ziemlich plausibel; Aber andererseits 
ergeben sich so teilweise recht lange Grounds (z.B. vom 
Ausgangselko-Minus nach GND).

Was meint ihr?

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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über sowas lässt sich wieder vortrefflich streiten...

Hast du die Chance einmal mit und einmal ohne Schlitz aufzubauen? Würde 
mich mal interessieren

und sonst:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layo...

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hi,
die Page von Lothar kenne ich natürlich, da habe ich vorhin auch 
nachgeschaut. Irgendwie hat er die Grounds da auch aufgetrennt, ...

Ich werde mal versuchen, das mit und ohne Schlitz zu bauen. Muss aber 
erst ein paar LM2676 bestellen...

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Die Thermals an dem IC würde ich wegmachen.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ansonsten kenne ich nur die Regel, dass man die Fläche, wo der Strom 
drin fließt möglichst klein halten soll. Und zwar deswegen, weil der 
Leiter eine Leiterschleife bildet, dessen Magnetischer Fluss 
proportional zur aufgespannten Fläche ist.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Irgendwie hat er die Grounds da auch aufgetrennt,
Naja, "aufgetrennt" würde ich nicht sagen.
Es ist so, dass beim doppelseitigen Layout der Strom, der im 
Schaltregler fließt, lokal gehalten wird. Und nicht irgendwo die gesamte 
GND-Plane versaut.

Dass sich bei passendem Layout praktisch "automatisch" kaum Änderungen 
im Stromfluss ergeben (auch ohne Zwang mit eingeschnittenen 
Leiterbahnen) siehst du beim unteren Bild: 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layo...

Bei der Appnote wird dem Strom praktisch ein "Umweg" erzwungen, damit 
die Strompfade gleich lang bleiben. Der Nachteil dabei ist, dass 
insgesamt die Strompfade, insbesondere der Strompfad (rot) im Bild 10 
ungünstig lang ist...

Bei deinem Layout mit der zerschnittenen Masse hätte ich große Bedenken 
zum Feedbackpfad. Die Spannung am Ausgangskondensator C4 wird von der 
Regelung nicht korrekt erfasst. Da ist der ganze Spannungsabfall über 
den Umweg mit drin.

> Und zwar deswegen, weil der Leiter eine Leiterschleife bildet, dessen
> Magnetischer Fluss proportional zur aufgespannten Fläche ist.
Und das ist quasi eine Antenne.

Autor: MaWin (Gast)
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> ist sowas ein gutes Layout?

Nein.
Es ist definitiv besser, wenn die GND-Anschluesse der Einagngselkos und 
Ausgangselkos räumlich zusammen liegen, was bei Drehen der Spule um 90 
Grad auch kein Problem ist.
Das Problem sind eher die Konnektoren.

Ein Schlitz in der Massefläche ist eine Schlitzantelle, sendet also 
Störungen aus.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hmm, ihr scheint ja nicht sonderlich begeistert zu sein von dem Layout. 
Also ist es Murks, was ADI da erzählt?
Hab noch versucht, das Layout weiter zu optimieren. Ergebnis siehe 
Anhang.

Gruss

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Also ist es Murks, was ADI da erzählt?
Nein, aber der Fokus liegt ganz klar auf dem einen Teilproblem 
"gleiche Strompfade zum Laden und im Freilauf".

Zu deinem Layout:
C3 ist der Ausgangskondensator. Zeichne doch mal den Freilaufstrom ein.
In der Freilaufphase ist der Eingangskondensator C4 nicht beteiligt.
Wie ist denn die Masse vom IC mit der Masse von C3 und C4 verbunden?
Das Bild lm2676_current_2.png ist irgendwie falsch :-/

Hast du auch einen Schaltplan zu deinem Schaltregler?

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hi Lothar,
die Freilaufphase ist im Bild current_2 zu sehen. Dort ist, wie man 
meinen könnte, der Eingangskondensator NICHT beteiligt; vielmehr fliesst 
der Strom um den Schlitz in der GND-Plane herum (den Schlitz habe ich 
mit weiss eingezeichnet), durch die Vias zur Diode und von da wieder zur 
Drossel.
Die Masse vom Schaltregler ist mit der GND-Plane verbunden, und die 
Ausgangskondensatoren sind da natürlich auch angeschlossen ;-)
Insgesamt bedeckt die GND-Fläche einen ganzen Layer vollständig; aber 
sie ist entlang der weiss eingezeichneten Linie geschlitzt. Klar soweit? 
;-)

Autor: MaWin (Gast)
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> Hab noch versucht, das Layout weiter zu optimieren.

Wenn du jetzt noch C3 und C4 drehst, ist der Strompfad noch kürzer.
Die Kontaktierungsstellen musst du nach aussen schieben.


Ich hab mit mal die AppNote angesehen.
Du hast die irgendwie missverstanden.
Die ist doch sehr gut und sehr klar:
Fläche der Stromkreise möglichst klein.

Da steht nichts von trennen von GND-Planes.
Die machen Schlitze in die GND Plane damit der Strom
genau auf der gegenüberliegenden Seite der Platine auf
demselben Weg wie der Strom durch VCC fliessen muss,
damit die vom Strom umschlossene Fläche nur noch die
Dicke der Leiterplatte ist, weil in 2d Ansicht von
oben beiden genau denselben Weg (in unterschiedlicher
Richtung) nehmen.

Daß die zusätzlich noch versuchen, Ladestrom und Entladestrom
auf denselben Weg zu zwingen, ist eher überflüssiger Luxus,
aber natürlich nicht negativ.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Wenn du jetzt noch C3 und C4 drehst, ist der Strompfad noch kürzer.
ACK

> Daß die zusätzlich noch versuchen, Ladestrom und Entladestrom
> auf denselben Weg zu zwingen, ist eher überflüssiger Luxus,
> aber natürlich nicht negativ.
Mich würde die Auswirkung aufs Gesamtsystem auch interessieren...
Das bereits angesprochene Bild 10 der Appnote ist m.E. recht verwirrend. 
Dort wird ein recht suboptimales Layout hergenommen, um die Länge der 
Strompfade zu zeigen.

Autor: Christian H. (netzwanze) Benutzerseite
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Ah, jetzt verstehe ich zumindest auch etwas mehr.
Ich hatte angenommen, der Schlitz wäre die waagerechte schwarze Linie.
Es geht also nicht um die zu dargestellten Masseflächen. Sind das 
Masseflächen auf einem Innenlayer?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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MaWin schrieb:
> Daß die zusätzlich noch versuchen, Ladestrom und Entladestrom
> auf denselben Weg zu zwingen, ist eher überflüssiger Luxus,
> aber natürlich nicht negativ.

Als Luxus würde ich das nicht bezeichnen: Wenn der Strom mit >100kHz 
seinen Weg ändert, ergibt das schöne Störungen. Der Pfad durch die Spule 
sollte zwar möglichst kurz sein, ist aber nicht so kritisch wie der Teil 
der nur in einer der beiden Phasen durchflussen wird. Immerhin fließt 
durch die Spule ein nahezu konstanter Strom, der such aufgrund der 
Induktivität nur langsam ändert.
Der Strom durch den Schalttransistor, bzw. durch die Diode wechselt 
dagegen mit der Schaltfrequenz zwischen beiden hin und her. Hier gibt es 
sehr steile Flanken und somit Störungen. Die AppNote zeigt eine Lösung 
wie man diesen Bereich auf eine kleine Fläche einschränken kann. Ist 
natürlich übertrieben dargestellt um den Pfad schön zu zeigen.

Autor: MaWin (Gast)
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> Als Luxus würde ich das nicht bezeichnen: Wenn der Strom mit >100kHz
> seinen Weg ändert, ergibt das schöne Störungen.

Na ja, WENN der Strom seinen Weg ändert, ändert er auch i.A. auf diesem 
Weg seine Polarität, und beim Polaritätswechsel bringt es auch nichts, 
wenn die Störung von derselben Stele ausgeht.

Dass der gleichmässige Strom durch die Spule den gleichen Weg nimmt, 
nämlich immer durch die Spule, liegt in der Natur der Sache.

Aber wie gsagt: Ist Luxus, aber nicht schlecht.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hi,
also auf einem Innenlayer ist auch eine durchgehende GND-Plane. Diese 
ist wie gesagt entlang der weissen Linie geschlitzt.
Zusätzlich sind aber auf der Oberseite der LP ebenfalls Masseflächen; 
diese sind mit Vias mit der GND-Plane verbunden.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> diese sind mit Vias mit der GND-Plane verbunden.
Wieso sollte dann der Strom auf die Idee kommen, deiner blauen Linie 
nachzufahren? Wenn ich der Strom wäre, liesse ich die 
Durchkontaktierungen nicht einfach beiseite...

Autor: Christian H. (netzwanze) Benutzerseite
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Wenn alle GND-Planes identisch sind, wird sich der Strom sicherlich auf 
diese verteilen.

Btw: Die Vias sind die 6 Bohrungen am unteren Rand bzw die 7 Bohrungen 
südwestlich der Diode?

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hallo,
also ich glaube es ist noch immer nicht ganz ersichtlich, wie ich das 
gemeint habe :-) Aber zugegeben - man kann es auf den Bildern schlecht 
sehen.
Aaaalso:

Während Phase 1 fliesst der Strom entlang der türkisfarbenen Linie, in 
den IC rein, aus dem Switch-Node raus - die Diode ist in Sperrichtung, 
also fliesst der Strom weiter über die Drossel, aus der Drossel heraus 
und in C3 rein. Wenn er aus C3 raus kommt, befindet er sich auf dieser 
kleinen, rechteckigen, roten Fläche (auf der Oberseite der LP). Hier 
fliesst er direkt zum C4 (woanders kann er ja nicht hin, da die Diode 
sperrt!).

Phase 2:
Hier dient ja die Drossel als Quelle. Sie treibt den Strom wie gehabt 
durch C3; kommt der Strom aus C3 raus, befindet er sich wieder auf der 
rechteckigen Fläche. Durch C4 kann er aber jetzt nicht fliessen, da ja 
der Transistor im IC jetzt den Pfad unterbrochen hat; stattdessen muss 
der Strom durch die 6 Vias abfliessen auf die GND-Plane. Da diese 
geschlitzt ist, muss er bis auf die Höhe von C4 weiterfliessen, und erst 
dort fliesst er durch die Vias südwestlich der Diode in selbige hinein, 
und oben bei der Kathode wieder hinaus.

So sind, meiner Meinung nach, nun auch die vom Strom aufgespannten 
Flächen minimal - denn die Bauteile sind recht klobig, und viel näher 
als so kann man sie eh nicht aneinander pappen.

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