Diseño de PCB impar para regulador de voltaje

Estoy aplicando ingeniería inversa a una placa que tiene un FPGA Xilinx Spartan 3E, con VCCAUX alimentado por un regulador de 2,5 voltios. A continuación se muestra el diseño de PCB para la parte del regulador del circuito, y algo me parece muy sospechoso.

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Mis disculpas por la horrible pixelación, esta fue la resolución más alta que pude obtener con el equipo que tenía disponible. De todos modos, el componente SOT23-5 etiquetado como "LFSB" es un regulador de voltaje lineal LP3988IMF-2.5 de Texas Instruments . He trazado el siguiente esquema del diseño de la placa:

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Es posible que ya haya notado la fuente de mi confusión: no tengo idea de por qué colocaron una resistencia de 316 ohmios directamente en la salida de un regulador de 2.5 voltios. Todo lo que hace es desperdiciar 7,9 miliamperios. Parece que no puedo encontrar ninguna razón para hacer esto. Me pregunto si es una falla de diseño, y se supone que esa resistencia debe estar conectada al pin PG en lugar de a tierra. Sin embargo, revisé tres veces la PCB original y definitivamente se conecta a tierra y el pin PG no está conectado a nada. Sin embargo, si esto es un error, explicaría por qué usaron un rastro separado en el lado inferior de la resistencia en lugar de conectarlo al vertido de tierra de cobre que está allí. También me preguntaba si el regulador puede requerir una carga mínima para mantener una salida estable, pero ese no es el caso de este regulador. No hay requisitos mínimos de carga. También consideré la posibilidad de que tuviera la intención de mostrar VCCAUX más lentamente con fines de secuenciación para el FPGA, pero al leer la hoja de datos, esto tampoco parece encajar: no hay reglas de secuenciación estrictas para encender el Spartan 3E.

¿Alguien puede pensar en una razón por la cual alguien colocaría intencionalmente una resistencia de 316 ohmios directamente en la salida de un regulador de 2.5V? Consideré que podría ser una resistencia de purga para el capacitor de salida, pero parece un valor demasiado bajo para eso.

EDITAR: Quizás esta información adicional ayude. La hoja de datos del Spartan 3E especifica para qué se utiliza el suministro VCCAUX:

VCCAUX: Tensión de alimentación auxiliar. Suministra administradores de reloj digital (DCM), controladores diferenciales, pines de configuración dedicados, interfaz JTAG. Entrada al circuito de reinicio de encendido (POR).

¿Estás seguro de que un extremo de esa resistencia está conectado a tierra? Ese regulador ni siquiera requiere una carga mínima para permanecer estable.
Estoy absolutamente seguro de que el lado inferior de la resistencia está conectado a tierra. Olvidé mencionar que también había considerado los requisitos de carga mínima, pero como ha notado, eso no se aplica a este regulador.
Posiblemente para garantizar que el riel de 2,5 V no se sostenga más tiempo que los rieles de clavijas de E/S si se pensaba que el Spartan-3E lo necesita. O hacer que el Spartan-3E muera rápidamente al apagarse porque se pensó que la aplicación lo necesitaba. No digo que sean lógicos, solo lo que podría estar en la cabeza del diseñador :-)
@TonyM Mira mi última edición. ¿Quizás proporcione algunas pistas?
Uno se pregunta ¿de qué se alimenta ese bus de 2.5V? ¿Podría alimentar E/S que sean tolerantes a VDD más altos, como 3.6V o 5V? En ese caso, esto puede ser una resistencia desplegable, porque este regulador de 2,5 V no puede absorber corriente.
@glen_geek mira mi edición
Puede estar relacionado con la secuencia de poder. Esta resistencia [purgadora] probablemente funciona en conjunto con otras similares en otros rieles para realizar una secuencia adecuada de encendido y apagado.
@filo Ya mencioné eso como una posibilidad en mi publicación original, pero no creo que esa sea la respuesta:I also considered the possibility that it was intended to bring up VCCAUX more slowly for sequencing purposes for the FPGA, but reading the datasheet this also does not seem to fit - there are no strict sequencing rules for powering up the Spartan 3E.
Sospecho que tiene que ver con el regulador que no proporciona ninguna protección de corriente inversa. Se elige empíricamente para que todos los capacitores conectados a la salida se descarguen más rápido de lo que se espera que caiga el voltaje de entrada durante un corte de energía.
@Photon Si fuera para descargar C43, ¿por qué no están conectados ambos terminales de R14 a ambos terminales de C43? Incluso cuando no es para sangrar de C43, todavía me pregunto esto.
Olvida lo que la parte es capaz de hacer. En la placa, ¿hay entradas de 3,3 V para bancos de E/S alimentados por esa línea de 2,5 V? Si los hay, los diodos de protección se filtrarán en el riel de 2,5 V, que puede flotar a menos que esté cargado con una resistencia. Al menos, la última vez que vi una placa FPGA con una resistencia allí, es por eso.
@DerStrom8 ¿Es posible seguir visualmente la pista? ¿O está en una capa interna (y no es visible cuando se sostiene contra una luz fuerte debido a otros vertidos de cobre)?
Quitaste la resistencia y la mediste? No veo por qué sería una resistencia de 316 ohmios, ya que interpreto la marca como 49 ohmios.
@TimWescott No, el 2.5V SOLAMENTE va a los pines VCCAUX del FPGA, y VCCAUX no se usa para alimentar E/S.
@Huisman La vía atraviesa toda la placa y también se conecta a un suelo de cobre en la capa superior.
@Justme Sí, lo medí. El código en la resistencia es 49A. El estándar EIA-96 se utiliza para la codificación de resistencias SMD al 1 %, que consta de códigos numéricos del 1 al 96 seguidos de una letra, A/B/C/D/E/F/H/R/S/X/Y/ z El código numérico indica el valor y la letra indica el multiplicador. En este caso "49" corresponde a "316" y "A" corresponde a un multiplicador de "1". Por lo tanto, el valor es 316 * 1 = 316 ohmios.
¿Podría ser que el circuito se alimenta desde USB y la corriente generada por la resistencia mantiene vivo el puerto?
¿Podría ser que esta resistencia marcada con 49R sea solo el pull up para PG? Como algunos de ustedes ya mencionaron, el extremo de una resistencia parece que no está en GND simplemente mirando el diseño. Tal vez esté conectado a PG a través de la capa inferior o interna, si corresponde.
@cosmos Está marcado como 49A, lo que significa 316 ohmios. Pero a tu pregunta, vuelve a leer mi publicación:I wonder if it is a design flaw, and that resistor is actually supposed to be connected to the PG pin instead of to ground. I have triple-checked the original PCB, though, and it definitely connects to ground and the PG pin is not connected to anything.
También señalaría que la parte seleccionada puede haber cambiado durante la vida útil de producción y una parte anterior necesitaba esa resistencia mucho más donde no habría habido dudas sobre la necesidad. El nuevo regulador de reemplazo es mucho mejor y la resistencia se olvidó allí. La ubicación del punto de tierra en la vía en lugar de la traza de tierra adyacente puede ser el resultado del enrutamiento automático.
Aprendí hace un tiempo que para muchos reguladores necesitabas una corriente de carga mínima para que la salida fuera estable.
Editar: parece que este regulador es estable sin carga según la hoja de datos. ¿Estás seguro de que la resistencia no es un pullup para el pin de alimentación buena?
@mrbean Sí, estoy seguro. Si lees mis publicaciones verás que fue una de las primeras cosas que confirmé. Además, ya acepté la respuesta de Tony Stewart como la correcta.

Respuestas (3)

Hubiera hecho el mismo diseño, para reducir el error de regulación de carga dinámica y estática.

Los detalles de las razones son evidentes en la hoja de datos. Mire el error de regulación de carga dinámica y el error de regulación de paso de entrada:

Curvas de regulación de línea y carga tomadas directamente de la hoja de datos vinculada por OP

Solo puedo adivinar qué presupuesto de error tenía en mente el diseñador, pero es común que cada LDO tenga una respuesta similar a las anteriores (aunque este FET LDO es excepcionalmente bajo en energía y voltaje de caída)

  • 5 mVerror en el 0.6 Vpaso de entrada con una 1 mAcarga
  • 200 mVerror con un 150 mApaso de carga

El error de regulación de carga estática solo se clasifica arriba 1 mAcomo 0.007%/mA:

Características de regulación de línea y carga

Esto implica que es peor por debajo 1 mAy mejora con una carga ficticia de 7,6 mA a satisfacción del diseñador. También mejora el error de regulación de carga de paso dinámico anterior.

Esto 1 mAasegura el tiempo de subida/bajada del controlador Gate para acelerar la respuesta. 7.6 mAes incluso mejor con rendimientos decrecientes por encima de esto.

El error de regulación de carga estática se debe únicamente RdsOnal PFET utilizado en el LDO dividido por su ganancia de bucle interna. Esto es cierto para cualquier regulador de voltaje, ya sea FET o BJT. Pero la ganancia de bucle infinito puede aumentar los errores de estabilidad o dar como resultado más timbres, bajo ciertas condiciones de carga (es decir ESR, C), por lo que es finito.

¿Sospechoso? ¡De ninguna manera!

¡Muy inteligente! ¡Ni siquiera había pensado en eso! ¡Creo que esta es la respuesta exacta que estoy buscando!
Usted también obtendrá más experiencia. Tengo 40 años de esto.
¿Podría dar más detalles sobre su argumento de 'carga escalonada'? Este número no debe estar relacionado con ninguna compensación actual.
@asdfex ciertamente. La ganancia de retroalimentación H(f) está directamente relacionada con el error directo 1-G(f)*H(f), que depende de la admitancia de carga Y(f) que hace que el error de voltaje sea proporcional a la corriente de carga de paso. La corriente de compensación de CC es necesaria para poner el RdsOn lo suficientemente bajo como para que estas suposiciones sean válidas, conduciendo una corriente mínima en Vgs debido a Vin. Cuando la carga es < 1 mA o Req > 5 kOhm con derivación de 1 uF, tiene una constante de tiempo de carga de 5 ms y RdsOn no es lo suficientemente bajo en el instante de una respuesta de paso para garantizar el error de regulación de carga nominal que indiqué, su especificación comienza en 1 mA y dinámica el error es proporcional
Me toma más que un comentario probarlo, pero estas son las variables que usaría. pero la constante de tiempo de respuesta de paso sería RdsOn*1uF para cerrar el error dinámico a 0 aproximadamente. por lo tanto, al comenzar con una corriente de compensación de CC o "precarga", siempre obtenemos una mejor respuesta de paso de corriente que comenzar desde un drenaje abierto. porque la impedancia de la fuente parte de una mayor admitancia o menor RdsOn en el análisis de CA.
O piense en la carga escalonada como un sumidero de corriente escalonada y el LDO como una fuente de voltaje con algún límite de GBW. esto SIEMPRE limita la velocidad de giro en cualquier unidad lineal e incluso la carga de conducción pF de Logic IC. Este retraso o tasa de cambio en la retroalimentación de error produce el error +/- falla en el voltaje de salida aumentando + o disminuyendo la corriente de carga. esta es una prueba de estabilidad estándar para cualquier regulador de voltaje. SE HACE CON FRECUENCIA en un 10% a 100% a 10% para dar mejores resultados que 0 a 100%. Por lo tanto, precargue si su carga real es 0 estática y dinámica alta.
¿Hay alguna pista en la hoja de datos de por qué se eligió específicamente 7,6 mA? ¿O es simplemente un valor sin importancia sin aspectos únicos al respecto?
dependía de los factores de cresta actuales de la aplicación y la carga de estado estable (uA). no hay un número mágico en la hoja de datos, pero habría considerado una corriente nominal máxima del 5 % como precarga como punto de partida y luego confirmaría todas las fuentes de error de regulación (estática, fuente escalonada V y carga escalonada I) para derivar una con el mejor margen de variaciones en parte GBW. Esta es una preocupación obligatoria para los móviles con baja potencia de Rx y alta potencia de Tx, pero minimizan la energía desperdiciada para lograr la estabilidad de RF durante la ráfaga de portadora ON. parece que el diseñador tiene la misma sabiduría, ya que el 5% de 150mA es ¿cuánto?
Respuesta 7.5 mA... similar a lo que encontraste aquí
@SunnyskyguyEE75 "Error de 5 mV con carga escalonada de 1 mA, error de 200 mV con carga escalonada de 150 mA" . He revisado la hoja de datos, pero parece que no puedo encontrarlo...
Buen ojo @marcelm En realidad era 9.2.3 línea en paso +/- 0.6V luego "error de 5mV con carga de 1mA,
De hecho, si tiene un presupuesto de energía generoso, puede precargar hasta el punto de carga máxima y todas las dinámicas del sistema son una proporción menor de la carga. Por lo general, esto también dará como resultado las distorsiones armónicas mínimas que aumentan a medida que se acerca a las rodillas del dispositivo (no linealidades) a medida que se acerca a cero.
¿No solo desea una corriente de carga mínima para que la salida sea estable? ¿No es ese el propósito de la resistencia?
Editar: parece que este regulador es estable sin carga según la hoja de datos. ¿Estás seguro de que la resistencia no es un pullup para el pin de alimentación buena?
@KalleMP lol me hizo reír

Como ya lo sugirieron algunos otros comentarios, la resistencia de 316 ohmios se coloca allí para permitir que el circuito regulador de voltaje tenga cierta capacidad para absorber algo de corriente en el caso de que el riel de 2.5V tenga alguna fuga de un riel de mayor voltaje. Esa fuga normalmente haría que la salida del regulador se apagara y se elevara y pasara a un voltaje más alto. Un diseñador hace un compromiso de diseño entre cuánta capacidad de sumidero permitir versus la cantidad de carga adicional que la resistencia coloca en el regulador de voltaje.

Pueden existir condiciones de fuga durante la secuencia de encendido y apagado de dispositivos semiconductores complejos y la capacidad de sumidero puede ser importante para mantener las cosas bajo control.

En algunos casos, el regulador de voltaje puede tener una función llamada bloqueo por sobrevoltaje que apaga el regulador si la salida aumenta demasiado. Esto puede ser perjudicial para el funcionamiento del sistema, especialmente si el pin indicador de potencia buena (PG) se monitorea para controlar una cadena reguladora de voltaje en una placa compleja. La resistencia de sumidero de corriente puede desempeñar un papel en la prevención de un apagado inesperado debido a una pequeña cantidad de fuga en un riel en particular.

No estoy convencido de que la resistencia esté conectada a tierra. He etiquetado las partes y los vertidos de cobre según su circuito de "ingeniería inversa".

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Si R14 estaba conectado a tierra, ¿por qué se desperdiciaría una vía cuando hay GND justo al lado? ¿Cómo probaste que estaba molido? ¿Acabas de zumbar entre líneas? Existe una gran posibilidad de que haya un LED a tierra colgando de esa vía. Esto proporcionaría una indicación visual de que hay alimentación de 2,5 V y una resistencia de alrededor de 316R estaría bien para un LED ROJO/AMARILLO/VERDE (4 mA). Esto también daría la "indicación" de un cortocircuito si lee mal un DMM o dependiendo de las especificaciones del DMM.

https://reference.digilentinc.com/_media/s3e:spartan-3e_sch.pdf Este es un diseño de referencia para un Spartan 3E. Hay una carga de 2k2 en el regulador de 2,5 V pero también un LED en el 3v3. Esto podría ser para proporcionar algo de amortiguación al circuito aguas abajo.

If R14 was grounded, why would a via be wasted when there is GND pour right next door to it.También mencioné esto en mi publicación original. Tampoco tenía ningún sentido para mí. How did you test it was ground? did you just buzz between lines?Medí entre múltiples puntos de tierra conocidos, en modo de resistencia, modo de continuidad y modo de diodo. El modo de continuidad y resistencia muestra 0,2 ohmios y el modo de diodo muestra 0 voltios, lo que indica un claro cortocircuito. There is a very high chance there is an LED to ground hanging off that via.No hay LED en esta placa. 2.5V solo se conecta a FPGA VCCAUX
¿Podría la vía estar conectada a una tierra diferente? ¿Quizás va a AGND cuando el vertido junto a él es DGND, o algo así?
@Hearth sería una decisión increíblemente mala (pero posible...). Los terrenos divididos son cosa del pasado PERO, lo que es más importante, la corriente quiere volver a su fuente, que está cerca del pin2 de U4. Piensa siempre en el camino de regreso
@JonRB No sé mucho sobre diseño digital de alta velocidad, así que solo estoy adivinando. No me pareció una opción sensata, pero tampoco lo hace agregar esa vía.
¿Es eso una PCB de múltiples capas o lo que hay en la parte posterior de esa vía?
Podría ser un pullup para el pin de potencia buena
Diseño de PCB impar para regulador de voltaje
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