SMPS PCB Design Critic

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Dies ist mein neu gestaltetes Layout. Wie sehen Sie das noch einmal?

10-32V bis 5V 1,2A SMPS Buck Regulator Design. Der IC ist IFX91041 von infineon.

Hier sind die Schaltpläne und Layouts: http://www.mediafire.com/?69e66eje7vda1

(Ich erhielt eine Fläche von 45 cm² (~ 6,98 Zoll²) für 5 V, 1,2 A und 35 V, 4 A.)

Ich stimme den anderen Antworten hier zu, dachte aber nur, dass dies helfen könnte:

Ich habe die 2 am meisten besorgniserregenden Hochstrom- / Hochschaltfrequenzschleifen in diesem Design gezeichnet.

Grün zeigt die Eingangsstromschleife mit den Entkopplungskappen C7 / C18, die den größten Teil des benötigten Hochfrequenzstroms beziehen. Diese Schleife ist aufgrund des schlechten Bodendesigns sehr groß.

Gelb zeigt die Ausgangsstromschleife, sie ist auch sehr groß.

Am besorgniserregendsten ist vielleicht, dass die Rückströme sowohl vom Eingang als auch vom Ausgang zum Regler einen einzigen Erdungsrückweg durch die schmale Spur teilen, die C17 verlässt.

Ihr letztendliches Ziel ist es, die Schleifenfläche dieser beiden Schleifen zu minimieren. Denken Sie dabei daran, dass Hochfrequenzströme, bei denen es sich um EMI handelt, dem Pfad der geringsten Induktivität zur Erde folgen, nicht dem Pfad des geringsten Widerstands.

Zum Beispiel habe ich diese Pfade aus Gründen der Klarheit etwas breit gezeichnet, aber in Wirklichkeit versuchen die Hochfrequenzkomponenten des Erdungsrückleitungspfads für den Ausgangsstrom (gelb), sich direkt unter dem Eingangsstrompfad zu bewegen, wenn dies möglich ist. Es ist wahrscheinlicher, dass es sich auf dem Rückweg unter L2 bückt.

BEARBEITEN: Update für vollständige Grundebene.

Hier ist eine aktualisierte Zeichnung der aktuellen Schleifen für Ihr neues Layout:

Dies ist viel besser, die Bodenrückflüsse sind aus Gründen der Klarheit getrennt, aber der Hochfrequenzgehalt bewegt sich entlang der Grundebene so nah wie möglich direkt unter den Stromspuren. Ich habe den Rückkopplungspfad in Pink hinzugefügt, und eine hellere Farbe kennzeichnet den Strom, der auf der Grundebene fließt.

Ein paar Anmerkungen:

• Die Wege sind immer noch viel länger als nötig. Insbesondere die Rückkopplungsschleife ist ziemlich lang und bewegt sich unter dem Eingangsstrom. Dieser Eingang ist hochohmig, sodass jede induktive Kopplung auf dieser Spur einen relativ großen Einfluss auf Ihre Regelgenauigkeit hat. Sie kreuzen sich bei fast 90 Grad, was die Kopplung verringert, die Erdströme jedoch nicht und sind aus anderen Gründen ein Problem (siehe unten).

• Die Eingangsleistungsspur kreuzt eine Teilung in der Grundebene, in der die Spur für die Rückkopplungsschleife verläuft. Überqueren Sie niemals einen Split auf einem Boden oder einer Energieebene auf einer benachbarten Schicht mit einer Spur, die die Chance hat, hohe Frequenzen zu übertragen (was wirklich bedeutet, dass überhaupt eine Spur vorhanden ist). Dies erzeugt eine Strahlungsschleife, wie durch den hellgrünen Rückweg angezeigt. Das Endergebnis ist ein großes EMI-Problem.

• Ich weiß nicht, ob es ein Ergebnis des Exports nach PDF ist oder was, aber Sie scheinen viele Durchkontaktierungen zu haben, die Probleme mit der Freigabe haben. Sie sind zu nahe beieinander und zu nahe an den Komponentenpads. Selbst mit einer Lötmaske über den Durchkontaktierungen sieht der Lötmaskenabstand auf den Pads so aus, als würden einige der Durchkontaktierungen freigelegt, was zu Lötproblemen führen kann, wenn Sie Reflow verwenden. Die Durchkontaktierungen in der Nähe von D1 werden zum Beispiel mit ziemlicher Sicherheit freigelegt, und wenn die Platine wieder aufgeflossen ist, saugt die Durchkontaktierung das gesamte Lot vom Pad weg und lässt D1 entweder ungelötet oder sehr schlecht gelötet.

• Einige Durchkontaktierungen werden auch nicht auf beiden Ebenen angezeigt, z. B. unter U1.

Was ich tun würde:

Richten Sie die Entwurfsregel Ihrer PCB-Konstruktionssoftware so ein, dass alle von Ihrem PCB-Hersteller geforderten Abstände eingehalten werden. Dies macht Sie auf Probleme mit Via-via-, Via-Pad- und Via-Lötmasken-Clearance-Problemen aufmerksam.

Zerreißen Sie das Design und beginnen Sie neu mit der Platzierung der Komponenten, da Sie wissen, dass Sie jetzt eine feste Grundplatte haben. Konzentrieren Sie sich darauf, die Länge der kritischen Pfade zu minimieren, und verwenden Sie für diese Pfade so viel Kupfer wie möglich (abgesehen von der Rückkopplungsschleife, ihrem geringen Strom). Wenn der Platz / das Layout dies zulässt, ist ein Bodenguss auf der Oberfläche keine schlechte Idee. Stellen Sie nur sicher, dass Sie dies richtig tun können. (kein verwaistes Kupfer, gut mit der Grundplatte verbunden)

Bearbeiten 2:

Ich bin mir nicht sicher, ob Sie dies bereits haben, aber hier sind die Referenzdesign- / App-Hinweise von infineon für ein 2-Lagen-Board mit einer festen Grundplatte auf der Unterseite. Sie verwenden eine ziemlich lange FB-Spur, halten sie jedoch von den gefährlichen Schleifen fern.

Es gibt zwei Hochstromschaltkreise in diesem (und den meisten anderen SMPS-Designs), auf die Sie achten müssen, um eine ausreichende Effizienz und ein geringes EMI-Rauschen zu erzielen.

1. Pin8 - C9 - GND

   Diese Schleife muss Ihre Eingangsleistung abdecken.

   Um die Schleife selbst kleiner zu halten, verbinden Sie die Masse des Kondensators mit der Erdungsflagge Ihres Reglers. Drehen Sie einfach C9 um 90 ° gegen den Uhrzeigersinn.

   Was mir in Ihrem Design fehlt, ist ein kleiner, aber schneller Kondensator, wie ein 100-220nF Keramikkondensator. Schließen Sie es sehr nahe am Regler-IC an.

2. Pin 6 - L2 - C13

   Dies wird Ihre Ausgabeschleife sein.

   Bewegen Sie C13 und C17 nach unten und verbinden Sie ihre Erdung mit der Erdungsplatte des IC (verwenden Sie dazu eine schöne große Polygonfüllung.

   Fügen Sie erneut einen kleinen Keramikkondensator hinzu.

   Drehen Sie L2 um 180 °, um eine schöne große Verbindung (wieder wäre eine Polygonfüllung am besten) zu C13, C17 und dem IC herzustellen.

   Drehen Sie D2 um 90 ° und platzieren Sie es zwischen L2 und dem IC. Verbinden Sie es mit dem Polygon und dem Groundtab.

Allgemein:

1. Verwenden Sie WIDE-Spuren oder Polygonfüllungen für alle Spuren mit hohen Schaltströmen.
2. Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Grundplatte, um das Rauschen zu reduzieren und die Wärme von Ihrem IC wegzuleiten.

Ich würde die einstellbare Ausgangsspannungsversion des Teils anstelle des 5-V-Teils verwenden. Aber selbst wenn die 5-V-Version verwendet wird, sollten Sie den Rückkopplungsspannungsteiler verwenden (verwenden Sie einfach einen Null-Ohm-Widerstand für die High-Side und installieren Sie den Low-Side-Widerstand nicht). Dies gibt Ihnen auf lange Sicht mehr Flexibilität, nur für den Fall, dass Sie eine andere Spannung benötigen.

Im Allgemeinen sind Ihre Spuren nicht breit genug. Am kritischsten ist die Spur von C9 bis U1.7-8, alles, was mit U1.6, L2 bis C17 / C13 und GND zwischen U1 und überall verbunden ist. Dies sind die Netze, die viele Schaltströme haben, und Sie möchten sicherstellen, dass sie kurz und breit sind.

U1 könnte etwas Wärme abführen, und die Verbindung zum GND-Pad an der Unterseite des Teils wird nicht ausreichen. Sie sollten die GND-Ebene auf der Oberseite der Leiterplatte vergrößern. Bewegen Sie dazu R1 & C1, damit sich die GND-Ebene unter dem Chip ausdehnen kann.

Es ist schwer zu sagen, aber ich glaube nicht, dass Sie GND zwischen der oberen und unteren Hälfte der Schaltung angeschlossen haben. Sie sollten wirklich nur eine feste Grundplatte unter der gesamten Leiterplatte haben und nicht versuchen, etwas Besonderes zu tun, um die verschiedenen Abschnitte zu isolieren. (Ausnahme: Sie möchten weiterhin, dass die GND-Ebene U1 abkühlt. Verwenden Sie einfach Durchkontaktierungen, um diese Ebene mit der gesamten GND-Ebene zu verbinden.)

Fazit: Dickere Spuren, bessere Kühlung, viel GND.

Edit: Hier sind meine Kommentare zu Rev B ...

Der Boden sollte eine vollständige GND-Ebene sein. Nicht in zwei Hälften geteilt. Dies ist kritisch und sollte nicht ignoriert werden.

Wenn möglich, haben Sie keine GND-Spuren auf der obersten Ebene - dafür ist die GND-Ebene gedacht. Dies gilt insbesondere für die GND zwischen J1, D1 und C17.

Auch die GND-Spur zu C8 macht diese Kappe völlig unbrauchbar. Die Spureninduktivität wird sehr groß sein. Verwenden Sie stattdessen ein paar Durchkontaktierungen zur GND-Ebene direkt an der Kappe. C8 sollte sich wahrscheinlich neben C9 befinden.

Die Spuren, die die obere und untere Hälfte der Schaltung verbinden, sind viel zu dünn. Verdoppeln oder verdreifachen Sie sie. Oder noch besser, verwenden Sie eine Kupferebene / Form / Füllung / was auch immer.

Die einzelne Spur auf der Unterseite (von C17 nach U1) sollte so umgeleitet werden, dass sie sich größtenteils oben auf der Leiterplatte befindet. Dies wird dazu beitragen, dass die GND-Ebene auf der Unterseite intakter bleibt und weniger wahrscheinlich schlechte Dinge tut.

An Ihren Bildern ist es schwer zu erkennen, aber Sie benötigen möglicherweise mehr Durchkontaktierungen vom GND-Pad / der Ebene auf U1 zur GND-Ebene auf der unteren Ebene. Es ist gut, mehr Wärme in die untere Schicht zu bringen.

Die GND-Ebene auf der obersten Schicht, die mit D2 verbunden ist und unter L2 verläuft, benötigt mehr Durchkontaktierungen zur GND-Ebene auf der Unterseite der Leiterplatte. Stellen Sie mindestens 2 Durchkontaktierungen unter L2 und möglicherweise eine dritte in die untere rechte Ecke.