Forum: Platinen LT1302 Boost-Konverter - Layoutkritik


von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Angehängt Schaltplan, Layout-Top und -Bottom mit der Bitte um 
konstruktive Kritik. Ziel ist ein anpassbarer Bausatz (IC auf der 
Platine, restl. Bauteile zum selbst bestücken) um mit dem LT1302 
Aufwärtswandler zu konstruieren. Das Layout ist die 5V-Variante mit 
500mA Ausgangsstrom und kalkuliertem Eingangsstrom von 3A (inkl. 
Reserve, danach ist die Schottky-Diode kaputt). R3 ist nur bei mehr als 
4V Eingangsspannung notwendig, d.h. andernfalls Drahtbrücke. Ich hielt 
mich weitestgehend an die Vorgaben des Datenblattes, bin mir aber 
unsicher:
  - bei der Freistellung von GND unter der Induktivität (keine 
Einstreuung, top und bottom) – notwendig?
  - der Wärmeabführung vom IC, Pins 1 und 8 – besser ohne Thermals?
  - Wärmeabführung von der Schottky-Diode – Kompromiss aus kürzestem 
Leiter und größter Fläche
  - Leiterbahndicke (35µ Auflage)

Danke im Voraus

von Michael R. (elektr-hobbyist)


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Hallo Boris,

ich würde Dir raten, den Isolationsabstand zwischen den Leiterzügen und 
den Massepolygonen zu vergrößern.

L.G.

Micha

von Michael R. (Firma: Brainit GmbH) (fisa)


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Der "FD" Pin sollte wohl "FB" heissen?

Die Elkos sollten Low-ESR sein, müssen den Ripplestrom vertragen, 
parallel zum Elko gehört ein Kerko mit 1..10uF (notfalls mehrere 
parallel)

Strompfade sind alles andere als optimal, siehe 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Spule ist was für eine? Ist das eine geeignete Speicherdrossel? 
Sättigungsstrom beachtet?

Sind die Gnd-Planes eigentlich irgendwo angebunden?

: Bearbeitet durch User
von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Michael R. schrieb:
> […]
> ich würde Dir raten, den Isolationsabstand zwischen den Leiterzügen und
> den Massepolygonen zu vergrößern.
> […]
Wegen der Spannungsspitzen oder der paras. Kapazität? Am IC (switch) 
sind mir die schon suspekt.

Michael Reinelt schrieb:
> Die Elkos sollten Low-ESR sein, müssen den Ripplestrom vertragen,
> parallel zum Elko gehört ein Kerko mit 1..10uF (notfalls mehrere
> parallel)
Low-ESR ist mir klar, die eingesetzten Panasonic-Typen haben 0,03Ohm, 
lt. Datenblatt genügt das <0,05. Aber der Platz ist nicht so knapp, dass 
ich nicht zwei 47µF parallelisieren könnte. Bzgl. der 
Hochfrequenzblockade bin ich spektisch und halte das für übervorsichtig. 
(Der Abschnitt »Capacitor Selection« ist da m.E. ausreichend gewürdigt. 
Erst bei höheren Eingangsspannungen wird zur Tantal-Variante als Ersatz 
für den 100n X7R geraten.) Es schadet aber sicher nicht, beide 
vorzusehen.

> Strompfade sind alles andere als optimal
Etwas konkreter? In der Ladephase gehts vom obersten Pin des pinheader 
»pwr« durch die Speicherdrossel (Sättigungsstrom 6A) über den SW-Pin 
gegen GND (mittlerer Pin von »pwr«). In der Freilaufphase aus C1, über 
L1 und D1 in den untersten Pin von »pwr«. Zugegeben ist dann eine 
Schleife von GND unter D1 durch, aber die paras. Induktivität halte ich 
für klein genug. Ich rücke C1, L1 und den Schaltregler einfach näher 
zusammen, verkürze den Pfad zum SW-Pin. (mEn. ist C1 zwischen L1 und IC, 
damit die Spule nicht die Versorgung vom IC leersaugt. C2 kann in der 
Tat weiter nach rechts, spart die kleine »Fahne« links von D1.)

Bzgl. der Sperrfläche unter der Spule keine weiteren Anmerkungen? (Es 
verkürzt den Strompfad nur in der Ladephase und nur um wenige mm, die 
Zuleitung L1/IC schräg darunter zu verlegen. Die Speicherdrossel hat 
keinen geschlossenen Kern, E- oder Topf.)

Danke für die Hinweise.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Boris Ohnsorg schrieb:
> Etwas konkreter?
Das ganze Layout ist so unnötig groß und weitläufig. Mach diese 
Stromschleifen klitzeklein und kompakt. Da zählt jeder mm! Besonders, 
wenn der Schalter mit 400kHz zu Werke geht.

Allein das Drehen des C2 um 180° wäre ein erster Schritt in die richtige 
Richtung.


> Bzgl. der Sperrfläche unter der Spule keine weiteren Anmerkungen?
Diese ganze Kupferfluterei sieht mir einfach nur hingeklatscht aus. 
Nachgedacht ist dabei nur wenig...

Ich möchte in keinem Schaltregler Thermals sehen. Die verschlechtern das 
Design in jedem Fall!

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Lothar Miller schrieb:
> Boris Ohnsorg schrieb:
>> Etwas konkreter?
> Das ganze Layout ist so unnötig groß und weitläufig. Mach diese
> Stromschleifen klitzeklein und kompakt. Da zählt jeder mm! Besonders,
> wenn der Schalter mit 400kHz zu Werke geht.
Es mag durch die außenliegende Massefläche wuchtig erscheinen. Der 
wesentliche Teil liegt aber nur rechts vom IC. Dennoch werde ich 
versuchen, bis knapp vor die Kollisionsmeldung zu routen.

> Allein das Drehen des C2 um 180° wäre ein erster Schritt in die richtige
> Richtung.
Das juckte mir auch in den Fingern, wenn nicht das Gebot aus dem 
Datenblatt wäre, alle Masseanschlüsse dieser Seite an PGND (power 
ground) zu konzentrieren (Fig.1 S.1 »Typical Application« und Fig.9 S.11 
»Layout«). Die Drehung um 180° verlängert den Strompfad über GND einmal 
um die Induktivität bzw. um den IC.
>> Bzgl. der Sperrfläche unter der Spule keine weiteren Anmerkungen?
> Diese ganze Kupferfluterei sieht mir einfach nur hingeklatscht aus.
> Nachgedacht ist dabei nur wenig...
Wärmeabführung von Pin 1 und 8 aus dem IC (Datenblatt >1sqin), 
Wärmeabführung aus der Diode, generell 0.2mm Abstand zwischen Elementen. 
Das Massepolygon flutet der Autorouter.
>
> Ich möchte in keinem Schaltregler Thermals sehen. Die verschlechtern das
> Design in jedem Fall!
Lässt sich die Verschlechterung quantifizieren? Ich brauche einen 
Kompromiss zwischen Lötbarkeit und Funktion. Die schönste Wärmeableitung 
nutzt nichts, wenn man >3s mit 300° zu Werke geht. Bei 4 Speichen liegt 
der Widerstand im hundertstel Ohmbereich. Thermisch bleibt es 
Flaschenhals.

Falls noch Zweifel an der Induktivität bestehen: Ich tauschte mich mit 
Würth Elektronik aus. Selbstgewickelte Kerne scheiden aus (E-Kern mit 
Luftspalt), die 8075 und 8095er Serie von Würth genügt.

von ooost (Gast)


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2 Punkte:

1. Die bedrahtete Diode macht die schaltende Leiterschleife unnötig 
groß, lieber SMD verwenden.

2. Elko als alleiniger Cout ist nicht optimal, davor noch ein passender 
kleinerer Kondensator als z.b. film oder keramik.

von ooost (Gast)


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ahhh und folgendes:

eingangs-pins --> cin --> ic --> cout --> augangspings.

auch die bauteile sollten so sein, weil wenn du ein/ausgang vor den c's 
abgreifst ist die filter wirkung viel geringer.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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ooost schrieb:
> 1. Die bedrahtete Diode macht die schaltende Leiterschleife unnötig
> groß, lieber SMD verwenden.
Das ist auch der wirklich kritische Pfad, da hier der größte Strom 
geschaltet wird. Werde ich wohl nicht drumrum kommen.

> 2. Elko als alleiniger Cout ist nicht optimal, davor noch ein passender
> kleinerer Kondensator als z.b. film oder keramik.
> eingangs-pins --> cin --> ic --> cout --> augangspings.
>
> auch die bauteile sollten so sein, weil wenn du ein/ausgang vor den c's
> abgreifst ist die filter wirkung viel geringer.
Weswegen dem bisher einzigen Ausgangskondensator noch ein LC-Filter 
nachgeschaltet werden könnte.

Ein paar Gedanken zum Problemkreis EMV: Die Fläche und die Stromänderung 
ist entscheidend für die magnetische Kopplung. Durch die Einschließung 
der Leiterbahnen in die Massefläche gibt es doch auf ganzer Länge 
parasitäre Kapazitäten, gegen die hohen Frequenzanteile. Weiters ist 
doch auch der Drehsinn der Feldlinien entscheidend, d.h. wenn eine 
gedachte Schleife im Strom entsteht, d.h. er in einem Teil des Pfades im 
Uhrzeigersinn flösse, um in einem zweiten, flächenmäßig identischen Teil 
gegensinnig zu fließen, wäre doch die magnetische Abstrahlung (im 
Idealfall) null. Die Strompfade ganz zu entwirren kann also nicht das 
maximal Mögliche sein.

Schlussendlich spricht die Verfügbarkeit reiner SMD-Varianten gegen 
einen bedrahteten Bausatz mit dieser Frequenz.

von Michael R. (Firma: Brainit GmbH) (fisa)


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Boris Ohnsorg schrieb:
> Die Strompfade ganz zu entwirren kann also nicht das
> maximal Mögliche sein.

Meistens läuft es aber darauf hinaus. Vollkommen richtig: der kürzeste 
Pfad mag nicht der optimale sein, aber der mit der geringsten 
eingeschlossenen Fläche. Hier kann man sehr gut eine Massefläche auf der 
Rückseite nutzen, da der rückfließenede HF-Strom auftomatisch möglichst 
parallel zum hinfließenden Strom fließt. er nimmt also fast automatisch 
den "richtigen" Weg.

ich helf mir immer so: zuerst überlege ich mir die drei kritischen 
Strompfade (Laden, Freilauf, Recovery), dann kopiere ich den Schaltplan 
dreimal, lösche jeweils die nicht im Strompfad vorkommenden Verbindungen 
und speziell auch die ganzen "unkritischen" Bauteile (Feedback-netzwerk, 
Vin etc)

Dann route ich die "vereinfachten "Schaltungen in einem unbenutzten 
bereich, bis ich eine optimale Lösung für alle Pfade gefunden habe. 
Dieses Grundlayout übertrage ich dann in das eigentliche Hauptlayout, 
und dann erst den Rest dazu. Wichtig noch: Mit dem Feedback-netzwerk 
möglichst weit weg von den kritischen Strompfaden!

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Boris Ohnsorg schrieb:
> Die Strompfade ganz zu entwirren kann also nicht das maximal Mögliche
> sein.
Wie schon erwähnt ergibt sich aus der Förderung "möglichst kompakte 
Strompfade" automatisch die Erfüllung der "möglichst gleichen 
Strompfade". Und der Recovery Stromkreis muss sowieso extra angeschaut 
und optimiert werden.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Ich schließe mit diesem persönlichen Maximum und verrate auch gleich die 
Quelle des Diebstahls: https://learn.adafruit.com/minty-boost/download 
Nun bleibt nur noch Forschung am Oszilloskop, ob 220µF und/ oder 1A 
Schottky die Größe ohne Funktionsbeeinträchtigung wesentlich verändern. 
Danke für die Motivation (33x40mm).

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