Layout für Schaltregler

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo,

ich baue gerade ein mobiles Messgerät das aus 2 AA-Akkus versorgt werden 
soll. Ich brauche 5V (max 150 mA) und 3.3V (max 20 mA). Daß die Akkus 
dann nicht ewig halten weiß ich, ist aber ok für die Anwendung.

Ich möchte den Stepup-Regler LT1302 benutzen um 5V zu erzeugen und den 
LT1761 um daraus dann auf 3.3V runterzugehen. Ich hab das ganze in 
LTSpice simuliert und dort funktioniert es prächtig.

Das ist mein erstes Design mit einem Stepup-Regler. Da das Layout ja bei 
Schaltreglern doch ne Rolle spielt, wäre ich froh wenn da nochmal jemand 
drüberschauen könnte.

Ich hab versucht die Placement-Vorgaben aus dem Datasheet von Linear 
umzusetzen (hab ich der Einfachheit halber nochmal angehängt).

Batterie und Hauptschalter sind die Stiftleisten oben im Layout, 
5V-Ausgang unten rechts. Da das Layout des Rest noch nicht fertig ist, 
geht der 3.3V-Ausgang bisher nur auf die Hilfsabgriffe unten. Der 
Ausschnitt ist unten links der Platine, das blaue Rechteck unten links 
wird nachher ausgefräst, die großen Bohrungen sind zur Befestigung.

In den Layout-Vorschlägen von LT sind Vin und GND an 2 verschiedenen 
Stellen, ich möchte beides aber über eine Stiftleiste zuführen. Der 
Rückfluss von PGND+den Kondensatoren zur Batterie geht bei mir daher vor 
allem durch die Vias und die Rückseite. Daher habe ich auch keine 
direkte Verbindung von PGND und GND unter dem LT1302 gemacht, sondern 
das GND separat zum Massepunkt der Batterie geführt. Ist das Ok?

Über den Zugang vom FB-Pin (Feedback) können sich laut Datenblatt leicht 
Störungen einkoppeln. Bei mir läuft das über die Rückseite unter der 
Masse durch. Aber auch in den Layout-Vorschlägen wird das einmal ganz um 
die Schaltung rumgeführt. Ist das auch Ok oder ist zu befürchten daß 
sich da was einkoppelt?

Danke vorab für Eure Verbesserungsvorschläge.

Gruß,

Gerd

[... (Gast)]

Die Kondensatoren C18, C33,C34 sind meines Erachtens für 150mA zu groß 
bemessen. Außerdem würde ich dafür Kerkos nehmen.

[Bernd W. (berndwiebus)]

Hallo Robert + ...

> Die Kondensatoren C18, C33,C34 sind meines Erachtens für 150mA zu groß
> bemessen. Außerdem würde ich dafür Kerkos nehmen.

Nöö. Zu groß sind sie nur insofern, als das Schaltregler dabei oft gerne
in den intermittierenden Betrieb gehen. Wenn er damit leben kann, und 
das kann er vermutlich gut mit nachgeschaltetem Laengstregler, ist es 
ok.
Ich persönlich habe die Erfahrung gemacht, daß ich 
Glättungskondensatoren besser etwas größer wähle. :-)

Wegen der Kerkos: Zu C18 ist einer paralell. Sehr löblich.
C33/C34 sind paralell. Das gibt auch ein besseres ESR als ein einzelner 
doppelt so großer, kostet aber in der Bestückung. Trozdem würde ich hier 
noch einen keramischen Kondensator paralell setzten.

Keinesfalls würde ich die Elkos durch keramische Kondensatoren 
ersetzten....es sei, ich könnte soviele keramische Kondensatoren 
paralellschalten, das ich eine ähnliche Kapazität erreiche. :-)
Mit Folienkondensatoren wäre das etwas leichter.....;-)

Ich habe jetzt aber nur ganz ganz oberflächlich über das Layout 
geschaut. Lediglich dem Vorwurf der zu großen Kondensatoren wollte ich 
hier begegnen.


Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo Bernd,

Danke daß Du über meine Schaltung drübergeschaut hast.

> Nöö. Zu groß sind sie nur insofern, als das Schaltregler dabei oft gerne
> in den intermittierenden Betrieb gehen.

Ist der intermittierende Betrieb vielleicht das, was Linear "Burst Mode" 
nennt? Den habe ich ausgeschaltet dadurch daß ich das IT-Pin (Pin 5) mit 
einem 3K3-Pulldown versehen habe (siehe Datenblatt).

Mein Ziel auch bei der Auswahl der Kondensatoren war den Ripple 
möglichst gering zu bekommen. Der Linearwandler killt natürlich das 
meiste davon - aber hier wollte ich lieber auf der sicheren Seite sein, 
eben für ein Messgerät mit AD-Wandlern drin.

> C33/C34 sind paralell. Das gibt auch ein besseres ESR als ein einzelner
> doppelt so großer, kostet aber in der Bestückung.

Das war einer der Gründe. Der andere war daß bei Reichelt die 100er 
lowest-ESR grad nicht lieferbar waren - und für die geringe Stückzahl 
ist der Bestückungsaufwand egal.

> Trozdem würde ich hier
> noch einen keramischen Kondensator paralell setzten.

Kommt es da auf die Position in der Nähe des Schaltreglers an? Ich habe 
nämlich in der Nähe meiner größten Verbraucher jeweils zusätzlich zu dem 
100nF-Standard-Kerko jeweils noch ein 4.7µF Kerko plaziert.

> Keinesfalls würde ich die Elkos durch keramische Kondensatoren
> ersetzten....es sei, ich könnte soviele keramische Kondensatoren
> paralellschalten, das ich eine ähnliche Kapazität erreiche. :-)

Mittlerweile gibt es schon 100µF Kerkos, damit ginge das schon. Die 
kriegt man aber nicht überall und dann muss man sehr mit den Spannungen 
aufpassen - häufig sind die nur 6,3V und das ist mir mit den 5V zu wenig 
Toleranz.

Gruß,

Gerd

[Antwort (Gast)]

Die GND Leitung von der 9V Blockbatterie die an den Pin 1 geht würde ich 
in der Umgebung von Pin 1 mit der großen Massefläche verbinden. Hast du 
bisher als eigene Leitung geroutet.

Was mir auch nicht gefällt ist die Position von C18. Der Strompfad geht 
einmal um den ganzen IC rum bevor es wieder bei GND ist. Versuch mal ob 
du diesen Elko direkt bei den Stiftleisten positionieren kannst. Am 
besten oben oder untern drunter. Ansonsten rechts daneben.
Der Grund ist das deine Sense leitung mitten hindurch verläuft und auch 
eine nicht gerade unbetrechtliche Stromschleife bildet in der sich dann 
eine recht hohe Spannung induzieren würde durch die Dreieckförmigen 
Ströme die aus C34 gezogen werden.

[... (Gast)]

Gerd E. schrieb:
> Hallo Bernd,
>
> Danke daß Du über meine Schaltung drübergeschaut hast.

Auch wenn der OT scheinbar jemand ist der nur auf angemeldete Besucher 
antwortet/hört gebe ich nochmal meinen Senf dazu:

Bernd Wiebus schrieb:
> Lediglich dem Vorwurf der zu großen Kondensatoren wollte ich
> hier begegnen.

Das war nicht als Vorwurf zu verstehen, als auch nicht so gemeint.

Das der Ausgangsripple Teils von der Höhe der Kapazitäten abhängt ist 
klar, mehr aber noch von dem ESR der verwendeten Kapazitäten. Deshalb 
mein Einwurf Kerkos zu verwenden. Dann muss man auch die Kapazitäten 
nicht so hoch wählen.

Die kleinere Bauform der Kerkos hat zudem noch den Vorteil ein 
kompakteres(kurze Stromwege) Layout zu erreichen.

Gerd E. schrieb:
> Ich hab das ganze in
> LTSpice simuliert und dort funktioniert es prächtig.

LTSpice bietet doch die Möglichkeit aus verschiedenen Kapazitäten mit 
verschiedenen ESRs auszuwählen. Dann setzt doch mal entsprechende 
Bauteile dort ein und schau dir an was mit deinem Ausgangsripple 
passiert.

Gerd E. schrieb:
> Mittlerweile gibt es schon 100µF Kerkos, damit ginge das schon.

Sollte man gar nicht nehmen, sondern mehrere kleinere Kerkos parallel 
schalten.

Gerd E. schrieb:
> häufig sind die nur 6,3V und das ist mir mit den 5V zu wenig
> Toleranz.

Die 6,3V Kerkos gehen auch bei 10V nicht kaputt; das sind keine 
Tantal-Kondensatoren.

Was allerdings passiert, dass mit steigender Spannung am Kerko dessen 
Kapazität sinkt und zwar ab 0V bis Nennspannung teilweise bis zu 50%.

Gerd E. schrieb:
> Der andere war daß bei Reichelt die 100er
> lowest-ESR grad nicht lieferbar waren

Ja toll, dann nehmen wir einfach welche mit höherem ESR und machen dafür 
die Kapazität höher? Das funktioniert nicht.
Gute Lieferanten für lowESR-Kondensatoren sind Völkner und Bürklin.

Gerd E. schrieb:
> Mein Ziel auch bei der Auswahl der Kondensatoren war den Ripple
> möglichst gering zu bekommen. Der Linearwandler killt natürlich das
> meiste davon - aber hier wollte ich lieber auf der sicheren Seite sein,
> eben für ein Messgerät mit AD-Wandlern drin.

Diesbezüglich ist die getroffene Auswahl deines Schaltreglers schon 
falsch. Dafür bieten sich low-noise Schaltregler an, wie z.B der MAX710.

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo,

Danke für Eure Posts.

Antwort schrieb:
> Die GND Leitung von der 9V Blockbatterie die an den Pin 1 geht würde ich
> in der Umgebung von Pin 1 mit der großen Massefläche verbinden. Hast du
> bisher als eigene Leitung geroutet.

Eigentlich ist der Massepin der Batterie mit der Fläche verbunden. Nur 
macht das Programm da Thermals dran, deshalb sieht man nur die 3 
kleineren Stränge. Meinst Du das reicht nicht? Ich könnte die Thermals 
auch kleiner machen. Das Kabel was dahinter kommt ist dann aber auf 
jeden Fall dünner...

> Was mir auch nicht gefällt ist die Position von C18. Der Strompfad geht
> einmal um den ganzen IC rum bevor es wieder bei GND ist.

Oder unten auf der Rückseite durch.

> Versuch mal ob
> du diesen Elko direkt bei den Stiftleisten positionieren kannst. Am
> besten oben oder untern drunter. Ansonsten rechts daneben.

Ich hab diese Konfiguration wegen dem Placement-Guide aus dem Datenblatt
gewählt. Ich könnte den natürlich um 90° nach rechts drehen und nen 
bischen hochrücken, dann könnte ich sein GND direkt mit den Batt-Pins 
verbinden.

Meinst Du daß wäre die bessere Lösung?

Wenn ich es richtig verstehe, gibt es unter Kurzzeit-Betrachtung 3 
Strompfade:

- Von den Ausgangs-Kondensatoren C33 und C34 zu meinen Verbrauchern
(rechts und oben von dem gezeigten Ausschnitt) und zurück zu den GND-
Pins dieser Kondensatoren

- Von C18 über Drossel und Diode zu C33 und C34 und von dort über GND
wieder zurück in C18

- Von C18 über die Drossel in den Switch-Eingang des Schaltreglers und
über PGND wieder zurück in C18

Von C18 fließt dann ein gleichmäßigerer Strom zur Batterie.

Ist das richtig so oder denke ich hier zu kompliziert?

> Der Grund ist das deine Sense leitung mitten hindurch verläuft und auch
> eine nicht gerade unbetrechtliche Stromschleife bildet in der sich dann
> eine recht hohe Spannung induzieren würde durch die Dreieckförmigen
> Ströme die aus C34 gezogen werden.

Ich habe die Sense-Leitung jetzt nicht mehr unter C34 durchgezogen,
sondern rechts davon. Aber unter der Massefläche rechts unter dem
Schaltregler muß ich halt doch noch durch wenn ich nicht ganz links an
der Drossel vorbei will (was glaube ich eine noch schlechtere Idee ist).

> LTSpice bietet doch die Möglichkeit aus verschiedenen Kapazitäten mit
> verschiedenen ESRs auszuwählen. Dann setzt doch mal entsprechende
> Bauteile dort ein und schau dir an was mit deinem Ausgangsripple
> passiert.

Ich habe eine ganze Weile mit verschiedenen Werten gespielt. Wenn ich
trotz ESR-Werten von Kerkos deutlich unter die 100µF für den Eingangs-C
gegangen bin (z.B. 33 oder 47µF) dann ging der Ripple deutlich hoch.
Auch das Kombinieren mit einem dickeren Standard-Elko hat nix geholfen.
Erst ein größerer Low-ESR Elko funktionierte gut. Daher meine 
Bauteilwahl.

>> Mittlerweile gibt es schon 100µF Kerkos, damit ginge das schon.
>
> Sollte man gar nicht nehmen, sondern mehrere kleinere Kerkos parallel
> schalten.

Naja, der Layout-Vorteil ist flöten wenn ich 5 von den Dingern parallel
schalten muß.

>> häufig sind die nur 6,3V und das ist mir mit den 5V zu wenig
>> Toleranz.
>
> Die 6,3V Kerkos gehen auch bei 10V nicht kaputt; das sind keine
> Tantal-Kondensatoren.
>
> Was allerdings passiert, dass mit steigender Spannung am Kerko dessen
> Kapazität sinkt und zwar ab 0V bis Nennspannung teilweise bis zu 50%.

So hab ich das auch verstanden. Dann brauche ich also wieder die 
doppelte
Zahl von Cs damit ich auf eine brauchbare Kapazität komme.

>> Der andere war daß bei Reichelt die 100er
>> lowest-ESR grad nicht lieferbar waren
>
> Ja toll, dann nehmen wir einfach welche mit höherem ESR und machen dafür
> die Kapazität höher? Das funktioniert nicht.

So hab ichs auch nicht gemacht. Ich hab statt einem 100er zwei 47er mit
den selben ESR-Werten genommen. Das sollte unterm Strich sogar für 
besseres
ESR-Verhalten sorgen, nur aber teurer und im Layout vielleicht 
ungünstiger
sein.

> Diesbezüglich ist die getroffene Auswahl deines Schaltreglers schon
> falsch. Dafür bieten sich low-noise Schaltregler an, wie z.B der MAX710.

Danke für den Tipp mit dem MAX710. Kommt beim nächsten Design mit auf 
die
Auswahlliste. Ich hab Linear genommen wegen der einfachen Simulation
mit LTSpice. Bei Maxim hab ich bisher leider keine Spice-Modelle zu
deren Bauteilen gefunden.

Wenn man z.B. bezüglich des Ripples nur ein verwaschenes Oszi-Bild im
Datenblatt hat und damit 2 Regler vergleichen will ist das doch recht
schwer. Und auch so Dinge wie die Auswahl der passiven Teile ist mit
Simulation wesentlich einfacher.

Gruß,

Gerd

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Über den Zugang vom FB-Pin (Feedback) können sich laut Datenblatt leicht
> Störungen einkoppeln. Bei mir läuft das über die Rückseite unter der
> Masse durch. Aber auch in den Layout-Vorschlägen wird das einmal ganz um
> die Schaltung rumgeführt. Ist das auch Ok oder ist zu befürchten daß
> sich da was einkoppelt?
Dein Masse ist durch die Schaltsröme ziemlich "versaut", da ist die 
Wahrscheinlichkeit höher dass du dir Störungen einfängst, als wenn du 
komplett "aussen rum" fährst...

Als Tipp:
Sieh dir mal meine Betrachtungen zum Schaltregler an
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler
Und such dann bei dir die beiden Stromkreise "Laden" und "Freilauf". Die 
gibt es nämlich auch beim Stepup...
Und zumindest dein Freilauf-Kreis ist suboptimal.
BTW: Warum platzierst du die Bauteile so weit auseinander?
BTW2: Durch den Einspeisepunkt an SW1 koppelst du Störungen aus. Besser 
wäre ein Einsepisung direkt auf den Kondensator, und erst von dort aus 
dann zur Spule. Insofern ist das suggested Placemant von LT etwas 
ungeschickt.
Aber solche "Schlamperfehler" finden sich immer wieder in AppNotes wie 
z.B. im Quarz-Layout dort unten 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/33-Quarz

... schrieb:
> Das der Ausgangsripple Teils von der Höhe der Kapazitäten abhängt ist
> klar, mehr aber noch von dem ESR der verwendeten Kapazitäten. Deshalb
> mein Einwurf Kerkos zu verwenden.
Das darf aber nicht als goldene Faustformel verwendet werden...
Gerd E. schrieb:
> Ich habe eine ganze Weile mit verschiedenen Werten gespielt.
> Erst ein größerer Low-ESR Elko funktionierte gut.
Das kann auch daran gelegen haben, dass die Regleung verrückt gespielt 
hat. U.U. braucht der Regler nämlich einen gewissen ESR...

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo Lothar,

> Sieh dir mal meine Betrachtungen zum Schaltregler an
> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layo...

da ist ja so einiges hübsch erklärt auf Deiner Seite, Danke für die Mühe 
das zu veröffentlichen! Hab ich gleich mal in die Bookmarks 
aufgenommen...

> Und such dann bei dir die beiden Stromkreise "Laden" und "Freilauf". Die
> gibt es nämlich auch beim Stepup...
> Und zumindest dein Freilauf-Kreis ist suboptimal.

Bitte korrigier mich wenn ich hier falsch liegt, der Freilauf-Kreis 
läuft

von der Drossel L1
durch die Diode D3
durch die Caps C33 und C34 auf GND
Rechts am Schaltregler vorbei oder unten unter C18 durch
in die Batterie
wieder in die Drossel L1

Wenn das stimmt ist ja das Problem vor allem der Weg von C33/C34 zur 
Masse der Batterie.

Idee:

den C18 um 90° nach rechts drehen und etwas hochschieben. Dann sitzt der 
direkt neben den Batterieanschlüssen, + und - sind direkt mit der 
Batterie verbunden.

Die Switch-Leitung zwischen L1/D3 und dem Schaltregler führe ich mit 
dicken Vias über die Unterseite.

Dann kann ich auf der Oberseite eine direkte Massefläche zwischen der 
Batterie und C33/C34 durchziehen.

Außerdem sollte dann die Massefläche zwischen C33/C34 und meinen 
Verbrauchern dick genug sein daß ich die Massefläche zwischen 
Schaltregler und Lowdrop-Regler U7 unterbrechen kann - dann wird mein 
Feedback darüber nicht mehr gestört.

Nachteil wäre dann allerdings daß die Switch-Leitung und damit der 
"Laden"-Stromkreis dann über Vias auf die Unterseite geht und unter 
meiner Masse durchläuft. Ist das ein Problem?

Gute Idee so oder Quark?

> BTW: Warum platzierst du die Bauteile so weit auseinander?

Vor allem damit ich es beim Bestücken (von Hand) einfacher hab und im 
Fall von Fehldesign leichter Teile im Dead-Bug-Style ranhängen kann.

Wenn ich obige Idee umsetze kann ich aber sicher C33 und C34 hoch und
zusammenziehen.

>> Ich habe eine ganze Weile mit verschiedenen Werten gespielt.
>> Erst ein größerer Low-ESR Elko funktionierte gut.
> Das kann auch daran gelegen haben, dass die Regleung verrückt gespielt
> hat. U.U. braucht der Regler nämlich einen gewissen ESR...

Gilt das nicht nur für Linearregler? Dort habe ich das oft in den 
Datenblättern gesehen und z.B. auch meinen 3.3V-Regler so beschaltet daß 
das kein Problem wird. Beim LT1302 steht jedenfalls nichts 
diesbezügliches im Datenblatt.

Meine Beobachtungen in der Simulation waren auch desto mehr ESR, desto 
schlimmer (und das deutlich) war der Ripple. Das spricht ja auch eher 
gegen ein solches Problem.

Gruß,

Gerd

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Rechts am Schaltregler vorbei oder unten unter C18 durch
> in die Batterie
Nein. Die Batterie hat mit den Stromkreisen nichts zu tun. An den 
Stromkreisen sind nur Elkos, die Freilaufdiode, der Schalttransistor und 
die Spule beteiligt.

> Meine Beobachtungen in der Simulation waren auch desto mehr ESR, desto
> schlimmer (und das deutlich) war der Ripple.
Das stimmt prinzipiell schon, aber das Layout (Senseanschluss und vor 
allem Masseanschluss) macht da auch einiges aus.

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo Lothar,

>> Rechts am Schaltregler vorbei oder unten unter C18 durch
>> in die Batterie
> Nein. Die Batterie hat mit den Stromkreisen nichts zu tun. An den
> Stromkreisen sind nur Elkos, die Freilaufdiode, der Schalttransistor und
> die Spule beteiligt.

Also so:

von der Drossel L1
durch die Diode D3
durch die Caps C33 und C34 auf GND
von dort in C18
und wieder in die Drossel L1

Ist das jetzt korrekt so?

Ich hab das Layout jetzt mal geändert wie oben geschrieben.

Das Feedback sollte jetzt nichts mehr abbekommen können und die Pfade 
allgemein kürzer sein. Dafür nimmt jetzt halt die Switch-Leitung einen 
Umweg über die Rückseite.

Besser so?

Gruß,

Gerd

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Das Feedback sollte jetzt nichts mehr abbekommen können und die Pfade
> allgemein kürzer sein.
Schliess den Feedback direkt an das Pad des Ausgnagselkos an. So wie es 
gerade beschaltet ist, spukt dir evtl. ein Laststrom mit in die 
Regelung...

> Dafür nimmt jetzt halt die Switch-Leitung einen Umweg über die Rückseite.
Und ist ziemlich schmächtig... :-/
Mach die mal richtig schön breit und ein paar Vias mehr zwischen den 
Lagen, und dann sieht das nicht mehr so schlecht aus.

Mal abgesehen vom Einspeisepunkt der Versorgungsspannung (und der daraus 
resultierenden erhöhten Störstrahlung...

[Gerd E. (robberknight)]

Hallo Lothar,

Danke daß Du Dir die Zeit nimmst meine Layout-Versuche zu verbessern.

> Mal abgesehen vom Einspeisepunkt der Versorgungsspannung (und der daraus
> resultierenden erhöhten Störstrahlung...

Wie Du das mit dem Einspeisepunkt gemeint hast habe ich (hoffentlich) 
erst nach ein bischen Nachdenken verstanden:

Es soll keine Verbindung zwischen Batterie und Verbrauchern auf dem 
Board geben, die nicht direkt am fetten Eingangselko des Schaltreglers 
(C18) vorbeikommt.

Dadurch läuft dann wirklich nur noch der Ausgleichsstrom zwischen Elko 
und Batterie über das Batteriekabel, keine (rippeligen) Ströme mehr die 
vom Elko geglättet werden.

Ich hoffe ich habe Deine Tipps jetzt richtig umgesetzt.

Gruß,

Gerd

PS: Die Beschriftungen nicht noch nicht optimal, da muß ich sowieso 
nochmal ran.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Wie Du das mit dem Einspeisepunkt gemeint hast habe ich (hoffentlich)
> erst nach ein bischen Nachdenken verstanden:
Wie auch immer: du hast es verstanden... ;-)

> Ich hoffe ich habe Deine Tipps jetzt richtig umgesetzt.
Sieht so schon gar nicht soooo schlecht aus.

[Gerd E. (robberknight)]

>> Ich hoffe ich habe Deine Tipps jetzt richtig umgesetzt.
> Sieht so schon gar nicht soooo schlecht aus.

Ich wohne in Schwaben, darf ich das als schwäbisches Lob verstehen:

Et gschumpfa is globt gnuag

;-)

Gruß,

Gerd

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Ich wohne in Schwaben,
Ich auch... ;-)
> darf ich das als schwäbisches Lob verstehen:
Jô.