Review Anfrage: ESP32 Board für große LED-Matrix (5V / 8A) - Levelshifter & Power-Plane

[Tom (tom_w365)]

Hallo zusammen,

ich arbeite gerade an meinem ersten eigenen PCB-Design für eine 
LED-Matrix-Steuerung und würde mich sehr über ein Review / Feedback 
freuen.

Das Projekt: Es handelt sich um ein Board (ca. 30x40cm), das eine Matrix 
aus WS2812 LEDs ansteuert und den aktuellen Status im Nahverkehrsnetz 
von Karlsruhe anzeigt.

MCU: ESP32-S3-WROOM-1

Stromversorgung: 5V DC über Barrel Jack, ausgelegt für bis zu 8 Ampere.

Logik: 3.3V Systemspannung (via LDL1117S33R).

Signal: Levelshifter (74AHCT125) um die 3.3V Signale des ESP auf 5V für 
die LEDs zu heben.

Was ich bereits gemacht habe:

Power: Großflächige 5V und GND Planes um den BarrelJack auf Top-layer 
bzw. Layer 2/3.

Kühlung: Thermal Vias beim Spannungsregler und den Hochstrom-Pads.

Entstörung: 1000µF Elko am Eingang, sowie mehrere 22µF (16V, 1206) 
Keramikkondensatoren über das große Board verteilt.

Reset: RC-Glied (10k Pullup / 1µF nach GND) am EN-Pin.

USB-C: Nur für Daten/Programming, VBUS ist getrennt (Strom kommt nur 
über Netzteil).

Meine konkreten Fragen an euch:

Hochstrom (8A): Ich habe die GND- und 5V-Einspeisung massiv mit Vias 
versehen. Sieht das für 8A Dauerlast ausreichend aus?

Levelshifter: Passt die Beschaltung des 74AHCT125 (Kondensator an 
VCC/GND, Enable-Pins auf GND)?

Gerne auch generelles Feedback :)

Ich habe Screenshots vom Schaltplan (Schematic) und den wichtigsten 
Layout-Bereichen (Top & Bottom Layer) angehängt.

Vielen Dank schonmal für eure Zeit und Tipps!

[Frank K. (fchk)]

Barrel Jack und 8A? Würde ich lassen.
Vorschlag:
Leiterplattenbuchse: https://cloud.kycon.com/Catalog_PDF/KPJX.pdf
Kabelstecker: https://cloud.kycon.com/Catalog_PDF/KPPX.pdf

Bei den 4-poligen Versionen ist jeder Pin bis 7.5A belastbar. Du 
schaltest also immer zwei parallel. Viele Netzteile nutzen diesen 
Stecker, z.B.:
https://www.bicker.de/ats120t-p120_industrie_tischnetzteil_108w_100-240vac_12v_9a_ac-dc_ac-adapter_62368-1

ESP32: Lies nochmal nach, wie der ESP32 auf der Leiterplatte zu 
plazieren ist. An besten ganz an den Rand, oder so, dass die 
Leiterplattenantenne übersteht.

Ansosnten ist mir erstmal nichts wesentliches ins Auge gesprungen.

fchk

[Gerald B. (gerald_b)]

An jede WS2812 sollte ein 100n Kerko kürzestmöglich. Falls man ohnehin 
DuKos braucht, kann der KerKo auch auf die Rückseite.
Pufferelkos low ESR dann an zumindest an Anfang und Ende eines Stranges. 
Man kann auch viel "Druck vom Kessel" nehmen, wenn man die LEDs nicht 
auf 100% Helligkeit laufen lässt.
Was du ebenfalls tun kannst, um die Lage zu entschärfen, wäre eine 
dezentrale Versorgung. 24V Versorgung der Platine und jeder Strang 
bekommt einen eigenen 5V Schaltregler. Dann hast du auf den 24V nur noch 
rund 2A - und 0,1V Spannungsabfall im Backbone sind nicht so dramatisch, 
wie auf einer 5V Rail.

[Nemopuk (nemopuk)]

Sind die Pegewandler (immer noch) nötig? Ich dachte, die WS2812 
unterstützen schon lange (seit v5 2019) 3,3V Signale.

Wenn deine älter sind, dann solltest du jeder LED einen 
Abblock-Kondensator spendieren, denn der ist auch erst ab Version 5 
optional.

[Frank K. (fchk)]

Gerald B. schrieb:

> Was du ebenfalls tun kannst, um die Lage zu entschärfen, wäre eine
> dezentrale Versorgung. 24V Versorgung der Platine und jeder Strang
> bekommt einen eigenen 5V Schaltregler. Dann hast du auf den 24V nur noch
> rund 2A - und 0,1V Spannungsabfall im Backbone sind nicht so dramatisch,
> wie auf einer 5V Rail.

Das ist eine gute Idee. Da gibts doch was von ...

https://www.monolithicpower.com/en/documentview/productdocument/index/version/2/document_type/Datasheet/lang/en/sku/MPM3620GQV-Z/document_id/2092/

Das ist ein DC-DC-Wandler, der aus 24V irgendwas zwischen 0 und 18V mit 
2A macht. Man braucht da nur wenige externe Bauteile, und das Teil 
kostet bei Digikey in Einzelstückzahlen 2.30€, im Zehnerpack 1.70 das 
Stück. Da nimmst Du also für jeden der 4 Stränge einen, und einen 
weiteren für die 3.3V des ESP32.

fchk