Crítico de diseño de PCB SMPS

Estoy de acuerdo con las otras respuestas aquí, pero pensé que esto podría ayudar:

He dibujado los 2 bucles de alta corriente / alta frecuencia de conmutación de mayor preocupación en este diseño.

El verde muestra el bucle de corriente de entrada con las tapas de desacoplamiento C7/C18 que generan la mayor parte de la corriente de alta frecuencia necesaria. Este bucle es muy grande debido al mal diseño del terreno.

El amarillo muestra el bucle de corriente de salida, también es muy grande.

Quizás lo más preocupante es que las corrientes de retorno tanto de la entrada como de la salida al regulador comparten un solo camino de retorno a tierra a través de la estrecha traza que sale de C17.

Su objetivo final aquí es minimizar el área del bucle de ambos bucles. Al hacerlo, recuerde que las corrientes de alta frecuencia, aquellas que son motivo de EMI, seguirán el camino de menor inductancia a tierra, no el camino de menor resistencia.

Por ejemplo, dibujé estos caminos un poco anchos para mayor claridad, pero en realidad los componentes de alta frecuencia del camino de retorno a tierra para la corriente de salida (amarillo) intentarán viajar directamente debajo del camino de la corriente de entrada si es posible. Es más probable que se doble debajo de L2 en su camino de regreso.

EDITAR: Actualización para plano de tierra completo.

Aquí hay un dibujo actualizado de los bucles actuales para su nuevo diseño:

Esto es mucho mejor, los retornos a tierra están separados para mayor claridad, pero el contenido de alta frecuencia viajará a lo largo del plano de tierra lo más cerca posible de las trazas de energía. Agregué la ruta de retroalimentación en rosa y el color más claro indica que la corriente viaja en el plano de tierra.

Algunas notas:

• Los caminos siguen siendo mucho más largos de lo que deberían ser. El circuito de retroalimentación es especialmente largo y viajará bajo la corriente de entrada. Esta entrada es de alta impedancia, por lo que cualquier acoplamiento inductivo en esta traza tendrá un impacto relativamente grande en la precisión de su regulación. Usted cruza a casi 90 grados, lo que reduce el acoplamiento, pero las corrientes de tierra no lo hacen y son un problema por otras razones (ver más abajo).

• La traza de potencia de entrada cruza una división en el plano de tierra donde se ejecuta la traza del circuito de retroalimentación. Nunca, nunca, cruce una división en un plano de tierra o energía en una capa adyacente con un rastro que tenga alguna posibilidad de transportar frecuencias altas (lo que significa cualquier rastro en realidad). Esto crea un bucle radiante como lo indica la ruta de retorno de color verde claro. El resultado final es un gran problema de EMI.

• No sé si es el resultado de la exportación a pdf o qué, pero parece que tiene muchas vías que tendrán problemas de autorización. Están demasiado juntos y demasiado cerca de las almohadillas de los componentes. Incluso con una máscara de soldadura sobre las vías, parece que el espacio libre de la máscara de soldadura en las almohadillas expondrá algunas de las vías y causará problemas de soldadura si usa reflujo. Las vías cerca de D1, por ejemplo, seguramente quedarán expuestas y cuando la placa vuelva a fluir, la vía succionará toda la soldadura lejos de la almohadilla, dejando a D1 sin soldar o muy mal soldada.

• Algunas vías tampoco aparecen en ambas capas, como las que se encuentran debajo de U1.

Que haría yo:

Configure su regla de diseño de software de diseño de PCB comprobando las autorizaciones requeridas por su fabricante de PCB. Esto lo alertará sobre problemas con la autorización de la máscara vía-vía, vía-pad y vía-soldadura.

Rompa el diseño y comience de nuevo con la colocación de componentes sabiendo que ahora tiene un plano de tierra sólido. Concéntrese en minimizar la longitud de las rutas críticas y use tanto cobre como pueda para estas rutas (barre el circuito de retroalimentación, su baja corriente). Si el espacio/diseño lo permite, un vertido de tierra en la superficie no es una mala idea, solo asegúrese de que puede hacerlo correctamente. (sin cobre huérfano, bien acoplado al plano de tierra)

Edición 2:

No estoy seguro si ya tiene esto, pero aquí están las notas de aplicación/diseño de referencia de infineon para un tablero de 2 capas que usa un plano de tierra sólido en la parte inferior. Utilizan un seguimiento de FB bastante largo, pero lo mantienen alejado de los bucles peligrosos.

Hay dos bucles de conmutación de alta corriente en este (y en la mayoría de los otros diseños SMPS) que debe cuidar para obtener suficiente eficiencia y bajo ruido EMI.

1. Pin8-C9-tierra

   Este bucle tendrá que cubrir su potencia de entrada.

   Para mantener el bucle en sí mismo más pequeño, conecte la tierra de los capacitores a la bandera de tierra de su regulador, simplemente gire C9 90° CCW.

   Lo que me falta en su diseño es un capacitor pequeño pero rápido, como un capacitor cerámico de 100-220nF. Conéctelo muy cerca del regulador IC.

2. Clavija 6 - L2 - C13

   Este será su bucle de salida.

   Mueva C13 y C17 a la parte inferior, conecte sus conexiones a tierra a la pestaña de conexión a tierra del IC (utilice un gran relleno de polígono para eso.

   Agregue un pequeño capacitor de cerámica nuevamente.

   Gire L2 180 ° para hacer una buena conexión grande (nuevamente, un relleno de polígono sería lo mejor) a C13, C17 y el IC.

   Gire D2 90 ° y colóquelo entre L2 y el IC., conéctelo al polígono y la pestaña de tierra.

En general:

1. Utilice trazos ANCHOS o rellenos de polígonos para todos los trazos con corrientes de conmutación altas.
2. Use un plano de tierra si es posible, reducirá el ruido y también ayudará a alejar el calor de su IC.

Usaría la versión de voltaje de salida ajustable de la parte en lugar de la parte de 5v. Pero incluso si se usa la versión de 5v, debe incluir el divisor de voltaje de retroalimentación (solo use una resistencia de cero ohmios para el lado alto y no instale la resistencia del lado bajo). Esto le dará más flexibilidad a largo plazo, en caso de que necesite un voltaje diferente.

En general, sus trazos no son lo suficientemente anchos. Lo más crítico será el seguimiento de C9 a U1.7-8, cualquier cosa conectada a U1.6, L2 a C17/C13 y GND entre U1 y en todas partes. Estas son las redes que tendrán muchas corrientes de conmutación y querrás asegurarte de que sean cortas y anchas.

U1 podría estar disipando algo de calor, y la conexión que tiene con la almohadilla GND en la parte inferior de la pieza no será suficiente. Debe aumentar el tamaño del plano GND en la parte superior de la PCB. Haga esto moviendo R1 y C1 para que el plano GND pueda expandirse desde debajo del chip.

Es difícil saberlo, pero no creo que tengas GND conectado entre la mitad superior e inferior del circuito. Realmente debería tener un plano de tierra sólido debajo de toda la PCB y no intentar hacer nada complicado para aislar las diferentes secciones. (Excepción: aún desea que el plano GND enfríe U1, solo use vías para vincular ese plano al plano GND general).

Conclusión: rastros más gruesos, mejor enfriamiento, mucha GND.

Editar: Aquí están mis comentarios para Rev B...

La parte inferior debe ser un plano GND completo. No se divide en dos mitades. Esto es crítico y no debe ser ignorado.

Cuando sea posible, no tenga rastros de GND en la capa superior; para eso está el plano GND. Esto es especialmente cierto para GND entre J1, D1 y C17.

Además, el seguimiento de GND a C8 hace que ese límite sea completamente inútil. La traza de inductancia va a ser enorme. En su lugar, use un par de vías al plano GND directamente en la tapa. C8 probablemente debería estar ubicado al lado de C9.

Las trazas que unen la mitad superior e inferior del circuito son demasiado delgadas. Duplicarlos o triplicarlos. O mejor aún, use un plano/forma/relleno/lo que sea de cobre.

El trazo único en el lado inferior (de C17 a U1) debe redirigirse para que esté principalmente en la parte superior de la PCB. Esto ayudará a mantener el plano GND en la parte inferior más intacto y menos propenso a hacer cosas malas.

Es difícil saberlo a partir de sus imágenes, pero es posible que necesite más vías desde el pad/plano GND en U1 hasta el plano GND en la capa inferior. Llevar más calor a la capa inferior es bueno.

El plano GND en la capa superior que está conectado a D2 y pasa por debajo de L2 necesita más vías hacia el plano GND en la parte inferior de la PCB. Ponga al menos 2 vías debajo de L2, y tal vez una tercera en la esquina inferior derecha.