Forum: Platinen PCB-Layout für Step-Down-Wandler


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von Lars (Gast)


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Ich möchte einen Linear-Regler durch einen Step-Down-Regler ersetzen, 
habe solche aber noch nie in einem Projekt verwendet. Vermutlich ist das 
auch gar nicht so einfach.

Im Prinzip kommen ein BD91* von Rohm, ein TPS6205x von TI oder ein 
ADP2370* von Analog Devices in Frage. Ich bevorzuge den von Rohm, weil 
er am wenigsten Bauteile benötigt.

Das Rohm-Datenblatt enthält ein grobes Schema (Bild 1), aber kein 
Layout. Solche findet man aber bei TI (Bild 2) und AD (Bild 3). Das 
TI-Layout könnte ich wohl frei Schnauze auf den Rohm übertragen, aber 
das AD-Layout hat sogar noch Längenangaben (und undefinierbare Blobs, 
die mglw. Vias darstellen sollen).

Sind die Dimensionen wirklich so kritisch? Oder kann ich das TI-Layout 
als Grundlayout für den Rohm übernehmen? (Ich könnte natürlich einfach 
den TI-Regler verwenden, aber für den ist das TI-Layout gar nicht 
vollständig.)

Vielleicht hat ja auch jemand ein weiteres Beispiellayout für mich, oder 
sonstige Tipps.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Lars schrieb:
> Sind die Dimensionen wirklich so kritisch?

Natürlich nicht, das geht ja nicht um Gigahertz hier.

Du musst dir angucken, wo (Impuls-)Ströme lang fließen und dann 
Spannungsabfälle verursachen können. Ungünstig beim Rohm-Pinout ist, 
dass die Eingangsspannung nicht direkt neben dem zugehörigen GND liegt, 
sondern noch die Ausgangsspannung dazwischen ist. Das macht das 
Platzieren des Abblock-Cs schwieriger. Du musst einen mechanisch großen 
C nehmen und die Ausgangsspannung drunter durch "fädeln", oder du musst 
dafür die Lage wechseln. Beides nicht so gut. Der TI-Regler ist da 
sinnvoller "gepinnt".

Die Verbindung von Pin 4 und 5 sollte "stromlos" sein, also weder Ein- 
noch Ausgangsstrom fließen darüber, denn sie ist ja offenbar für die 
Rückkopplung der Regelspannung da.

von René F. (therfd)


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So kritisch wie im Analog Devices Layout gezeichnet ist das ganze nicht.

Im Endeffekt hast du bei Schaltreglern mehrere Stromschleifen, diese 
sollten so kurz wie möglich sein und. Der Vorteil der Layoutempfehlungen 
ist, dass das Layout schon mal getestet wurde, das bedeutet aber auch 
nicht automatisch, das sie optimal sind. Wenn du die Empfehlungen 
befolgst, ist die Wahrscheinlichkeit aber sehr hoch, das ein 
EMV-gerechtes Design dabei rauskommt.

Zu dem Thema kann ich dir auch die Seite von Lothar empfehlen:

http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Bei meinem aktuellen Projekt verwende ich mehrere TPS54140 zum erzeugen 
der benötigten Spannungen, im Datenblatt ist das Beispiellayout relativ 
schön gezeichnet.

von Olaf (Gast)


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> Sind die Dimensionen wirklich so kritisch?

Die Dinge schalten schon um 1Mhz rum. Damit kann ein schlechtes Layout 
dir schon den Radioempfang versauen. Aber natuerlich, wenn du nur fuer 
dich was bastelst und keinen EMV-Test machen musst dann wird es nicht 
ganz so streng sein.

> Vielleicht hat ja auch jemand ein weiteres Beispiellayout für mich,

Malen nach Zahlen macht keine Kuenstler. Du solltest einmal verstehen 
warum ein Layout so ist wie es ist. Dann kannst du auch mal davon 
abweichen.

> oder sonstige Tipps.

Waehle den Baustein folgendermassen aus:

1. Er muss fuer dich verfuegbar sein. Das gilt eventuell auch fuer die 
Spule. :)

2. Das Datenblatt und die Applikation sollten moeglichst gut sein. Du 
musst die Dimensionierung verstehen.

3. Verschwende beim Layout ein paar Gedanken an die Loetbarkeit. Deine 
ICs brauchen eine gute Anbindung an Masse ueber ihr unteres Pad. Falls 
du nicht mit Heissluft loeten willst ist es hilfreich neben dem IC etwas 
im Loetstop freizustellen mit dem du Loetzinn unter dem IC schmelzen 
kannst.

Olaf

von Lars (Gast)


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Vielen Dank für die Infos. Ich habe mich dann doch für den TI-Regler 
entschieden.

Allerdings benötige ich die Batterieüberwachung nicht. Laut Datenblatt 
soll man in diesem Fall die Pins LBI/LBO einfach mit GND verbinden bzw. 
offen lassen. Kann ich dann auch die entsprechenden Widerstände (R4-R6) 
weglassen, oder soll bei LBO quasi das offene Ende mit GND verbunden 
werden (aber was wäre mit LBI)?

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Lars schrieb:
> Laut Datenblatt soll man in diesem Fall die Pins LBI/LBO einfach mit GND
> verbinden bzw. offen lassen.

Beantwortet diese "Typical application schematic" nicht deine Frage? ;-)

: Bearbeitet durch Moderator
von Minime (Gast)


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In dem Fall kannst Du R4, R5 und R6 weglassen.
LBI ist ein logischer Eingang und muss daher auf GND gelegt werden.
Sonst würde der Eingang "in der Luft" hängen.
LBO ist ein Ausgang. Den kannst Du offen lassen oder auch auf GND legen.

von Lars (Gast)


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> Beantwortet diese "Typical application schematic" nicht deine Frage? ;-)

Haha, das Schema auf Seite 1 habe ich glatt übersehen! :-D

von Lars (Gast)


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So weit, so gut, allerdings erwähnt das Datenblatt nicht, ob Thermal 
Reliefs erlaubt sind. Ohne dürften die Bauteile schwer zu verlöten sein. 
(Im User Guide sind manche Cs mit und manche ohne Relief eingezeichnet.)

Ohne Thermal Reliefs läßt KiCAD einen winzigen Spalt zwischen Pour und 
Pin. Ist das jetzt nur ein Anzeigeproblem, oder besteht da wirklich 
keine Verbindung (wegen der Form des Pours tippe ich auf Letzteres)?

von Lars (Gast)


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Ich sehe gerade, dass auch mit Relief ein kleiner Spalt zwischen Pour 
und Pin bleibt.

von Bernie B. (berbeer)


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René F. schrieb:
> Zu dem Thema kann ich dir auch die Seite von Lothar empfehlen:
>
> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Die prinzipiellen Vorgänge sind auf der Seite gut erklärt, die SChaltung 
ist gut aufgebaut, aber m.E. ist noch nicht die richtige Konsquenz 
daraus erläutert.
Auf dem zweiten Bild sind dort die relevanten Strompfade zunächst 
richtig identifiziert. Diese beiden Strompfade beschreiben den Lade- und 
den Entladevorgang der Drossel.
Die Drossel versucht den Strom konstant zu halten, daher ist aus 
funktioneller Sicht ihr Anschluss unkritisch und könnte beliebig lang 
sein, da lange Leitungen ebenfalls induktives Verhalten zeigen, wenn sie 
ausreichend Abstand halten.
(Einzig aus EMV-Sicht sollte das getaktete Signal zur Drossel nicht zu 
weit laufen)
Ein paar Bilder weiter wird der "Recovery-Pfad" gezeigt. Dieser Pfad 
bildet die Differenz der ersten beiden Pfade und wird auch 
Kommutierungskreis genannt. In diesem Kreis wird der Strom durch den 
Regler umgeschaltet. Hier dürfen keine nennenswerten Induktivitäten 
vorhanden sein. Die würden sonst Überspannungen induzieren, welche die 
Halbleiter gefährden können.
Also kurz: Der Kreis vom Eingangskondensator durch den Schaltregler bis 
zur Freilaufdiode und zurück via GND muss so klein wie möglich 
ausgeführt werden.

Dieser Kommutierungskreis ist auch wesentlich für die EMV.

Rund um einen Schaltregler sind ansonsten Masseflächen eine gute Idee, 
mit zwei Einschränkungen:
- Der Regler sollte zusammen mit seinem Ein- und Ausgangskondensator 
eine eigene Massefläche haben, die mit dem GND der Rest-Elektronik 
idealerweise nur an einem Punkt verbunden ist.
- Das getaktete Signal (Reglerausgang über Freilaufdiode bis zum 
Anschluss der Drossel) sollte nicht auf der Massefläche liegen. Bei 
kleinen Spannungen <12V mag dies ohne Bedeutung sein, Bei Reglern an 
höheren Spannungen entstehen zwischen diesem Signal und Kupferflächen 
kapazitive Ströme, die hohe Schaltverluste und EMV-Probleme mit sich 
bringen. Diese Ströme können deutlich höher sein als die beschriebenen 
Recovry-Effekte.

von Lars (Gast)


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Bernie B. schrieb:
>> Zu dem Thema kann ich dir auch die Seite von Lothar empfehlen:
>> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Ganz ehrlich, mit dieser Seite kann ich nicht so viel anfangen. Die 
Ströme werden gut erklärt, aber meine Schaltung hat gar keine Diode! Das 
zweiseitige Layout finde ich auch sehr unübersichtlich, man sieht kaum, 
was mit was verbunden ist.

Außerdem hat ja TI ein Layout empfohlen (siehe ganz oben, mittleres 
Bild). Natürlich kann ich die Bauteile noch etwas Richtung Regler 
schieben und die Flächen kleiner machen; die Kondensatoren sind auch 
größer (1206) als eingezeichnet. (Die anderen Lagen habe ich hier 
weggelassen.)

von Gustl B. (gustl_b)


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Naja der Strom ist nicht sehr hoch, da bekommst du kleine SMD Spulen und 
die 10 uF und 22 uF gibt es auch in 0805. Am Ausgang könntest du auch 2x 
0603 nehmen um eine geringere ESR zu erreichen.

Kannst du mal einen Schaltplan anhängen? Dann würde ich einen Vorschlag 
machen.

Thermals würde ich da nicht nutzen. Ja, ist schlechter zu löten, aber 
mit Heißluft kein Problem.

Zu der Darstellung mit dem Spalt: Exportiere das mal als Gerber und guck 
das Ergebnis an.

: Bearbeitet durch User
von Lars (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Kannst du mal einen Schaltplan anhängen? Dann würde ich einen Vorschlag
> machen.

Der hängt oben am Post vom 09.07. um 16:26 Uhr. Ich habe aber nochmal 
die vereinfachte Variante angehängt.

> Thermals würde ich da nicht nutzen. Ja, ist schlechter zu löten, aber
> mit Heißluft kein Problem.

Danke, das ist mal eine Ansage.

> Zu der Darstellung mit dem Spalt: Exportiere das mal als Gerber und guck
> das Ergebnis an.

Laut Kicad-Forum ist das ein "Feature", was man extra ausschalten muss, 
also ist der Fall gelöst.

von Gustl B. (gustl_b)


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Lars schrieb:
> Der hängt oben am Post vom 09.07. um 16:26 Uhr.

Den hatte ich gesehen, aber so wir der aussieht hielt ich ihn für einen 
Screenshot aus dem Datenblatt, sorry.

Ja gut da kannst du die Layoutempfehlung nachbauen.

: Bearbeitet durch User
von Lars (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Den hatte ich gesehen, aber so wir der aussieht hielt ich ihn für einen
> Screenshot aus dem Datenblatt, sorry.

Äh, damit wir uns nicht mißverstehen: Das neue Layout ist auch aus dem 
Datenblatt, aber Batterie- und Spannungsüberwachung sind deaktiviert und 
auf GND gesetzt.

Mein Layout ist hier angehängt; ich hoffe, die beiden ähneln sich! :-)

Und mit Layout-Empfehlung meinst Du das rote Layout im ersten Post?

von Gustl B. (gustl_b)


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Ah OK. Ja das meine ich. Das sieht doch vernünftig aus. Ich finde zwar 
das Package nicht Optimal, also jeweils nur ein so dünner Pin für Vin 
und SW und verstehe nicht wieso die Pins 3 und 10 nicht unter dem 
Package verbunden sind, aber kann man wohl verwenden.

Welchen Strom und welche Spannung brauchst du denn?

von Gruselfrosch (Gast)


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Lars schrieb:
> Laut Kicad-Forum ist das ein "Feature", was man extra ausschalten muss,
> also ist der Fall gelöst.

Das Problem dürfte wohl eher sein, dass die Clearance der Fläche zu groß 
ist. Die Fläche kann Pad 10 nicht kontaktieren, weil sie dann zu nah an 
Pad 9 kommen würde. KiCAD wählt leider als Default die Clearance unnötig 
groß (0,5mm). Wenn du da etwas kleineres einträgst (z.B. 0,25mm) sollte 
die Fläche das Pad kontaktieren ohne dass der kleine Spalt da bleibt.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Lars schrieb:
> Ich sehe gerade, dass auch mit Relief ein kleiner Spalt zwischen Pour
> und Pin bleibt.

Dann stimmt da irgendwas noch nicht.

Ist die Füllfläche deine einzige Anbindung an das Pin? Normalerweise 
zeichnet man immer erstmal Leiterzüge (und stellt damit die komplette 
Konnektivität her) und füllt erst am Ende.

Kann es sein, dass deine Füllflächen nicht auf das passende Potenzial 
definiert worden sind?

von Lars N. (larsn)


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Gustl B. schrieb:
> Welchen Strom und welche Spannung brauchst du denn?

Von 5V bzw. 9V (zwei versch. Schaltungen) auf 3.3V bei 0.8 A max.

(Nicht wundern, mußte mich heute anmelden?!)

von Lars N. (larsn)


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Gruselfrosch schrieb:
> Das Problem dürfte wohl eher sein, dass die Clearance der Fläche zu groß
> ist. Die Fläche kann Pad 10 nicht kontaktieren, weil sie dann zu nah an
> Pad 9 kommen würde.

Ich habe die Clearance der Zone auf 0 gesetzt. Da hat sich ein bißchen 
was bewegt (an einer anderen Stelle im Layout), aber leider ist noch 
immer kein Kontakt.

So wie es jetzt ist, sollte die Zone doch weit genug von Pin 9 entfernt 
sein (man sieht die Clearance des Pins ja als Oval).

Jörg W. schrieb:
> Ist die Füllfläche deine einzige Anbindung an das Pin? Normalerweise
> zeichnet man immer erstmal Leiterzüge (und stellt damit die komplette
> Konnektivität her) und füllt erst am Ende.

Ja, ist sie. Ich will die Layout-Empfehlung von TI nachbauen, da sind 
die Zonen auch direkt mit VIN bzw. GND verbunden.

> Kann es sein, dass deine Füllflächen nicht auf das passende Potenzial
> definiert worden sind?

Nein, ist beides GND.

...

Verflixt! Bei dem Screenshot oben war die Clearance der Fläche nicht 
0, und die andere Fläche, wo ich die Clearance auf 0 gesetzt habe, 
konnte das Pad wegen der Minimalbreite der Fläche nicht erreichen. Jetzt 
klappt es aber. Manchmal sitzt das Problem doch vor der Tastatur! :-)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Lars schrieb:
> aber meine Schaltung hat gar keine Diode
Sie ist da. Finde sie. Könnte sein, dass sie im IC untergebracht und 
durch einen Mosfet zum "aktiven Gleichrichter" umgebaut wurde.

> Außerdem hat ja TI ein Layout empfohlen (siehe ganz oben, mittleres Bild).
Ich habe schon einige Fehler in Datenblättern gefunden (erst letzte 
Woche wieder einen). Wenn man die Grundlagen für so ein Layout kennt, 
dann kann man die Tauglichkeit so eines Vorschlags selber beurteilen und 
abschätzen, ob und wo man davon abweichen darf. Besonders bei so einem 
kleinen MHz-Biest von Schaltregler sollte man sich vorneweg die Zeit 
dafür nehmen. Sonst muss man sich die Zeit hinterher nehmen... ;-)

Aber generell sieht das von TI vorgeschlagene Layout soweit gut aus. Im 
Besonderen, weil der Schaltregler vom Chipdesign tatsächlich sogar für 
ein einseitiges Layout geeignet wäre.

Bernie B. schrieb:
> Die prinzipiellen Vorgänge sind auf der Seite gut erklärt, die SChaltung
> ist gut aufgebaut, aber m.E. ist noch nicht die richtige Konsquenz
> daraus erläutert.
Richtig, mit den zunehmenden Frequenzen der Schaltregler muss auch auf 
den Switchnode und die kapazitive Auskopplung von dort geachtet werden. 
Deisen Aspekt werde ich bei Gelgenheit mal einfließen lassen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Lars N. (larsn)


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Lothar M. schrieb:
>> aber meine Schaltung hat gar keine Diode
> Sie ist da. Finde sie. Könnte sein, dass sie im IC untergebracht und
> durch einen Mosfet zum "aktiven Gleichrichter" umgebaut wurde.

Ja, ich meinte externe Diode, wie auf Deinen Schaltbildern. Laut 
internem Blockdiagram gibt es zwei MOSFETs, wie Du gesagt hast.

> Aber generell sieht das von TI vorgeschlagene Layout soweit gut aus. Im
> Besonderen, weil der Schaltregler vom Chipdesign tatsächlich sogar für
> ein einseitiges Layout geeignet wäre.

Das beruhigt mich.

Ich werde das Layout jetzt so wie oben verwenden, die Dimensionen der 
Fläche werde ich aber noch anpassen.

Ein Dankeschön an alle Diskutanten!

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