Design LM3670 und LMR62421

[M. W. (rallini94)]

Hallo zusammen,

nachdem mein erster Schaltreglerentwurf mächtig daneben ging (siehe 
Beitrag "LM3670: zu kleine Ausgangsspannung") hab ich mich nun 
wieder ran gesetzt und es versucht diesmal besser zu machen.

Folgendes soll gewandelt werden:
Vin = 5 V
Vout1 = 3,3V , Imax = 0,1 A (LM3670)
Vout2 = 12V , Imax = 0,6A (LMR62421)

Verwendet werden sollen:
- LM3670
- LMR62421
- Speicherdrossel Würth Elektronik 6,8µH , 0,035 Ohm, 2,91 A, 31 MHz 
(https://www.conrad.de/de/speicherdrossel-smd-7345-68-h-0035-wuerth-elektronik-we-pd-7447779006-1-st-1087933.html)
- Murata Kondensatoren 4,7µF und 22µF, wenige mOhm

Mein Layoutvorschalt hab ich mal angehängt.

Zum LM3670:
Ich habe mich dabei versucht an den Vorschlag im Datenblatt zu halten so 
wie Lothar es vorgeschlagen hat. Deswegen sind unterhalb der Drossel auf 
beiden Seiten kein Kupfer, damit nichts in dei GND Fläche einkoppelt. 
Zudem habe ich versucht, die schaltenden Signale von GND und Feedback 
fern zu halten und möglichst kurze, dicke Leitungen zu verwenden.

Zum LMR62421:
Eigentlich das gleiche Spiel. Hier ist es etwas schwierig, die Masse vom 
schaltenden Pin fern zu halten, liegen sie doch genau nebeneinander. Die 
Masseanbindung hab ich versucht durch Vias möglichst gut hin zu 
bekommen. Ich hoffe, das hat geklappt.

Ich würde mich sehr freuen, wenn ihr mal drüber schaut, und mir sagt, wo 
man noch was rausholen kann (bin mir sicher da geht noch was/einiges). 
Würde ungern wieder etwas in die Tonne werfen müssen (geht unnötig ins 
Geld und verbrät Zeit).

Vielen Dank,
M.W.

[M. W. (rallini94)]

Mir ist gerade aufgefallen:

Sollte ich R2 lieber umdrehen, damit der Feedbackpfad noch kürzer wird. 
Damit bewegt sich zwar der Masseanschluss etwas vom LMR62421 weg, aber 
ich schätze der kürzere Pfad ist besser, oder?

[M. W. (rallini94)]

Ist gerade keiner hier unterwegs, der sich etwas besser mit dem Layout 
von Schaltreglern auskennt?
Möchte nur ungern wieder Platinen ätzen und anschließend feststellen, 
dass das Design Müll ist

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

M. W. schrieb:
> wenn ihr mal drüber schaut
Mach die Thermals weg. Die Bauteile müssen flächig an die Potentiale 
angebunden sein. Nicht umsonst hat der Hersteller ein Beispiellayout in 
seinem Datenblatt, wo eben auch keine Thermals zu sehen sind 
(Beitrag "Re: LM3670: zu kleine Ausgangsspannung").

Und lass das mit der Masse-Fluterei. Verdrahte den Regler von Hand.

Sonst sieht das schon recht vielversprechend aus, das wird so gehen.

M. W. schrieb:
> Sollte ich R2 lieber umdrehen
Um 90°. So dass die Masse zum R1 zeigt.

[M. W. (rallini94)]

Lothar M. schrieb:
> M. W. schrieb:
>> wenn ihr mal drüber schaut
> Mach die Thermals weg. Die Bauteile müssen flächig an die Potentiale
> angebunden sein. Nicht umsonst hat der Hersteller ein Beispiellayout in
> seinem Datenblatt, wo eben auch keine Thermals zu sehen sind
> (Beitrag "Re: LM3670: zu kleine Ausgangsspannung").

Ok, Thermals sind weg

> Und lass das mit der Masse-Fluterei. Verdrahte den Regler von Hand.

Ok, hab jetzt erstaml die Massenflächen weggenommen. Der Regler war 
vorher sowieso von Hand komplett geroutet (auch GND). Hab dann 
anschließend nur die Fläche drüberzeichenen lassen.
Aber ich bin etwas verwirrt über deine Aussage. Im Datenblatt sind doch 
auch Masseflächen gezeigt (abgesehen von der Switch Region). Meinst du 
ich soll oben gar keine Massefläche legen und nur unten? Oder was genau 
meist du? (Sorry, wenn ich dich nicht ganz verstehe)

> Sonst sieht das schon recht vielversprechend aus, das wird so gehen.
>
> M. W. schrieb:
>> Sollte ich R2 lieber umdrehen
> Um 90°. So dass die Masse zum R1 zeigt.

Gemacht.

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

M. W. schrieb:
> Oder was genau meist du?
Du sollst nicht einfach irgendein Massepolygon da reinlegen und das am 
Ende des Tages mit Kupfer fluten. In so einem hochfrequenten 
Schaltregler haben nur die Signale was zu suchen, die da wirklich 
gebraucht werden und hingehören. Und natürlich dürfen die dann lokal 
durchaus als "Fläche" ausgeführt werden...

Im Anhang mal exemplarisch ein Schaltregler mit 5 Polygonen. Einmal nur 
die Plygonumrisse und einmal ausgefüllt.

[M. W. (rallini94)]

Lothar M. schrieb:
> M. W. schrieb:
>> Oder was genau meist du?
> Du sollst nicht einfach irgendein Massepolygon da reinlegen und das am
> Ende des Tages mit Kupfer fluten. In so einem hochfrequenten
> Schaltregler haben nur die Signale was zu suchen, die da wirklich
> gebraucht werden und hingehören. Und natürlich dürfen die dann /lokal/
> durchaus als "Fläche" ausgeführt werden...

Ok, verständlich. Nur da Flächen, wo es sinnvoll ist, weil die sonst zu 
viel Störstrahlung aussenden/empfangen, richtig?

Mangels Eerfahrung weiß ich nur leider nicht, wo es genau Sinn hat noch 
Flächen zu setzen und wo man lieber die Leitungen lässt. Aber ich hab 
mir mal ein paar Gedanken gemacht und einen Vorschlag (erstmal mittels 
Paint, weil das Flächen erstellen in Target meiner Meinung nach etwas 
kacke ist).

Meine Vorschläge und Gedanken dazu (Nummern entsprechen der Abbildung):

1 + 6. Switch vom LMR62421/LM3670: Hier wäre eine Fläche vermutlich 
aufgrund der Stromtragfähigkeit schön, da hier ja viel fließen 
kann/wird. Aber sendet die Fläche nicht eher Störstrahlung aus als die 
Leitungen? Oder hält sich das bei der Görße noch in Grenzen?

2. 5 V-Versorgungsfläche: Ähnliches Spiel. Hier fließen sogar die Ströme 
beider Regler. Ich würde das komplette Modul des LM3670 natürlich noch 
nach unten verschieben, um die Fläche möglichst klein zu halten. Aber 
dennoch, auch hier fließen ja große hochfrequente Ströme -> Abstrahlung?

3. Ausgang vom LM3670: Auch hier ist der Strom wieder hoch. Allerdings 
ist es gleichzeitig der Feedback-Pin, deshalb vielleicht lieber als 
Leitungen lassen?

4 + 5. lokale, kleine GND Plane auf top: In dem Datenblatt des LM3670 
wird für die TOP-Seite eine lokale GND-Plane mit Vias für die 
Bottom-Plane vorgesehen. Das hätte ich jetzt so umgesetzt und beim 
LMR62421 auch versucht. Dieser hat zusätzlich nahe am eigenen GND-Pin 
und am GND Pin des Eingangs-Kondensators eine Via nach unten.

GND Bottom würde ich gerne so vollflächeig wie möglich gestalten (so wie 
es ja eigentlich üblich ist, oder?). Im Datenblatt des LM3670 steht 
dazu, dass diese Fläche jedoch nicht bei/unter den hochfrequent 
schaltenden Signalen liegen soll. Deswegen hätte ich diese Ecken (5V und 
die Switch-Leitungen) ausgelassen und von da aus den Rest der 
Bottomseite mit GND gefüllt.

So, ich hoffe, ich quäle/nerve euch und besonders dich, Lothar, nicht so 
sehr. Freue mich aber riesig das man mir weiterhilft. DANKE!

[M. W. (rallini94)]

So, ich hab mich jetzt nochmal rangemacht und das ganze so in Target 
umgesetzt, wie ich denke, dass es am ehesten passt.

Würde mich freuen, wenn jemand seinen Senf nochmal dazu gibt ;)

[M. W. (rallini94)]

Hallo,

es ist lange her, doch nun bin ich endlich dazu gekommen, meine 
Schaltung fertig aufzubauen und zu testen.

Abweichend von den oben gezeigten Bauteilen, habe ich im Feedbackzweig 
einen Widerstand von 82 kOhm und einen Kondensator von 470pF verbaut 
(hatte nichts anderes zur Hand). Die Ausgangsspannung beträgt somit nur 
11,5V, aber das ist ok.

Mehr Probleme habe ich leider mit der dreieickförmigen großen Schwingung 
(siehe Bild). Ich habe darüber in anderen Beiträgen schonmal was 
gelesen, wenn ich das richtig im Kopf habe, kann mich aber an die Lösung 
nicht mehr erinnern und weiß auch nicht, mit welchen Stichworten ich am 
besten danach suche.

Da mein Wissen über Schaltregler sehr begrenzt ist, würde ich mich sehr 
über eure Hilfe zur Beseitigung dieser Störungen freuen.

[TK (Gast)]

Zuerst mal sieht das für mich nach einem Messproblem aus.
Wo genau hast Du gemessen und wo war GND vom Tastkopf angeschlossen?
Welche Last hat an der 12V Seite gelegen?
Und wieso hast Du nur einen 4u7 Eingangskondensator, wo das Datenblatt 
doch auf S12 den kleinsten C_in mit 10u vorgibt. Evtl. sind Deine 
Kondensatoren überhaupt nicht geeignet (ESR/ESL-Werte).
Der Enable Serie-Widerstand ist in der Application auch mit 1M 
implementiert, wobei das hier nicht ein Problem darstellen sollte.

Gruß
TK

[M. W. (rallini94)]

TK schrieb:
> Zuerst mal sieht das für mich nach einem Messproblem aus.
> Wo genau hast Du gemessen und wo war GND vom Tastkopf angeschlossen?


Über die Masseklemme des Tastkopfes an K4 (anschluss der Versorgung). 
Mit einem kleinen Draht und direkt an dem LMR62421 wäre wohl klüger, 
was?
Die 12 V habe ich entweder direkt an C5 oder an der nächsten 
Durchkontaktierung der Leitung (liegt rechts ausßerhalb des Bildes) 
abgenommen. Bin mir gerade nicht mehr sicher.

> Welche Last hat an der 12V Seite gelegen?

Einmal 250 mA und einmal 500 mA. Schien aber keinen Unterschied zu 
machen.

> Und wieso hast Du nur einen 4u7 Eingangskondensator, wo das Datenblatt
> doch auf S12 den kleinsten C_in mit 10u vorgibt.

Hab mich da an die Ergebnisse der TI Webbench gehalten. Habe aber noch 
22 uF, 6.3V murata Kondensatoren da (Werte ähnlich wie unten)

>Evtl. sind Deine
> Kondensatoren überhaupt nicht geeignet (ESR/ESL-Werte).

Die ESR-Werte liegen laut 
(http://datasheet.octopart.com/GRM188R60J475KE19D-Murata-datasheet-7628155.pdf) 
bei 1 MHz unter 0,01 Ohm. Und die Kondensatoren wurden ebenfalls von der 
Webbench vorgeschlagen. Hatte gehofft, man kann sich darauf verlassen.

[TK (Gast)]

Also die Messung direkt am Ausgangskondensator wäre hier sinnvoll. 
Murata-Eingangskondensator mit 22u einlöten. Last angeschlossen ohne 
lange Zuleitungen (250mA ist OK). Zusätzlich am Ausgang und am Eingang 
nochmal einen 10nF parallel schalten. Gilt übrigens auch für den LM3670. 
Fürs Messen GND vom Tastkopf an C- und dann an C+ nochmal aufzeichnen. 
Dann ochmal ein Bild posten

Gruß
TK

[M. W. (rallini94)]

TK schrieb:
> Also die Messung direkt am Ausgangskondensator wäre hier sinnvoll.
> Murata-Eingangskondensator mit 22u einlöten. Last angeschlossen ohne
> lange Zuleitungen (250mA ist OK). Zusätzlich am Ausgang und am Eingang
> nochmal einen 10nF parallel schalten. Gilt übrigens auch für den LM3670.
> Fürs Messen GND vom Tastkopf an C- und dann an C+ nochmal aufzeichnen.
> Dann ochmal ein Bild posten
>
> Gruß
> TK

Gemacht, getan. Siehe Bild im Anhang. Ist nun schon deutlich besser als 
oben. Habe jedoch 22nF nehmen müssen, weil mal wieder nichts besseres da 
ist.

Der Rest, der jetzt noch drauf ist, ist mir egal (kann vielleicht auch 
davon kommen, dass ich zwar die Masseklemme an C5 GND gehalten habe, 
aber immer noch die kleine Leitung davon mit im Spiel ist, oder?). Da 
hängen eh nur 3W LED Spots dran. Beim nächsten Layout weiß ich, dass ich 
auf jeden Fall zusätzliche kleine Kondensatoren am Ein- und Ausgang 
vorsehe.

Vielen Dank, TK