Origen de potencia y ubicación de planos de potencia en PCB

Aunque hay muchas preguntas similares a esta, deseo llamar su atención sobre este diseño de tablero específico.

La alimentación principal de la placa será de 5 V, y una de las capas está dedicada a ello. Sin embargo, la placa se conectará a una potencia de 12 V, por lo que estoy usando un LDO para bajar el voltaje a 5 V. Teniendo en cuenta los flujos de corriente, la ubicación ideal del LDO sería, probablemente, en el centro del tablero, sin embargo, lo coloqué en la parte superior izquierda (ver el diseño del plano inferior ) .

  1. ¿Es esta ubicación aceptable o hay una mejor manera en este caso? ¿Tal vez debería enrutar un rastro grueso en los planos de alimentación/tierra hacia el centro del tablero, para que todas las corrientes se propaguen/regresen desde/hacia el centro como en la figura a continuación? ¿La tierra del conector de 12 V y el pin LDO de tierra deben originarse en el mismo punto, o está bien conectarlos al plano de tierra en diferentes puntos?

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  2. ¿Es útil (en mi caso) tener algunas islas de plano de tierra en los planos de señal superior e inferior además de la capa de plano de tierra separada, o debo limitar el plano de cobre superior solo a ciertas áreas? Mi mayor preocupación son las tapas de derivación y la conexión de pines GND. Traté de colocar los componentes para que los pines negativos salieran hacia afuera y se conectaran a las áreas más grandes del plano GND superior. Sin embargo, ¿no sería mejor colocar vía justo al lado de los pines GND para que se conecten directamente a la capa del plano GND ?

  3. Hablando de GND a través de: Traté de colocarlos cerca de varios pines de tierra a la vez para hacer conexiones locales de 'estrella' GND. Nuevamente, ¿sería mejor usar más GND a través de cada pin GND, o eso es innecesario? ¿Aumenta considerablemente el precio de fabricación?

  4. También traté de esparcir GND adicional a través de espacios iguales en toda el área del tablero. ¿Es una buena práctica? ¿Cómo es la eficiencia vs precio de fabricación?

  5. ¿Debo hacer una pequeña división en la capa del plano GND en algún lugar entre el ADC y un búfer SN74? Entonces, ¿decir que separé los terrenos digitales y analógicos?

  6. Por favor, comente cómo podría mejorar mi diseño de PCB actual.

Información adicional:

  1. Planos: Señal, GND, Potencia, Señal
  2. Alimentación principal: 5 V y LDO pequeños adicionales (3,3 V, 1,8 V) designados con la letra V.
  3. Muestreo: 10MHz, oscilador 40MHz.
  4. A la izquierda: CPLD, uC pequeño.
  5. Centro: reproductor de imágenes lineal.
  6. A la derecha: OpAmp, Diff Amp, ADC, búfer SN74 (de abajo hacia arriba).
  7. Puertas de amortiguamiento designadas con la letra G.
  8. Eliminaré por fin pequeñas islas de cobre desconectadas.

ARRIBA

TIERRA

FUERZA

ABAJO

Esta es una imagen combinada de los planos SUPERIOR e INFERIOR:

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¿Por qué la gente llama "LDO" a un regulador de baja caída? No solo se aplica a esta pregunta porque lo he visto formulado de esta manera en algunas preguntas. Por cierto, su regulador no necesita ser de tipo LDO porque su voltaje de entrada: el voltaje de salida es lo suficientemente grande como para adaptarse a un 7805. ¿Qué corriente se toma del regulador de 5v?
@Andyaka Idealmente, no debería tomar más de 0.8A. No pensé demasiado en la conversión DC/DC. ¿Por qué me beneficiaría más de LM7805? Incluso si no necesitaba un convertidor de potencia y suministraba directamente a la placa 5V, mi preocupación era más sobre dónde colocar el origen de la alimentación/tierra en la placa.
No dije que se beneficiaría más, solo dije que no es necesario que sea del tipo LDO y que se disiparía exactamente la misma potencia porque creo que "LDO" es un término que se aplica a los reguladores lineales. Con respecto al resto de la pregunta, fue demasiado larga para que la asimilara toda de una vez, pero, en ausencia de un circuito, supuse que podría ser complicado dar una buena respuesta, así que pensé en quejarme y gemir sobre el uso. de términos en lugar de LOL.
0.8A significa que su PCB va a disipar alrededor de 10 W, en aproximadamente 3" cuadrados (?). Eso va a ser "interesante". Estimo un aumento de aproximadamente 80 ° C si monta la placa verticalmente y tiene un valor razonable ( 3 4 ~= 1,3") de espacio a cada lado.
@SpehroPefhany Mis disculpas, no lo dije correctamente. Quise decir 0.8A @ ​​5V y espero que no supere los 0.5A. No tengo tanta experiencia para considerar las características de temperatura de una placa, pero ahora lo tendré en cuenta.
Si el regulador suministra 0,8 A, la placa consume 0,8 A a 12 V = 9,6 W (más lo que el regulador utilice internamente). Los reguladores lineales simplemente desperdician todo el calor que no se consume en la carga. En su caso, si 800mA es correcto, carga = 4W, regulador = 6W (lo suficientemente cerca). Demasiado.
@SpehroPefhany Oh, ya veo. Entonces, ¿debería usar un regulador de modo conmutado como TL2575 en su lugar? Y gracias por señalarlo. Para este prototipo, puedo mantener el voltaje de suministro bajo (como 6 V) para evitar la disipación de energía del propio regulador, pero luego tendré que encontrar una forma más eficiente para la conversión CC/CC.
@Andyaka Ahora que sé la diferencia entre los reguladores de modo lineal y conmutado, veo lo que quiso decir cuando dijo que no tengo que usar LDO.
Sí, un suministro de conmutación probablemente sería mejor si consume una corriente significativa. Hay chips más modernos que funcionan a frecuencias más altas que el TL2575 (~50 kHz), por lo que el inductor puede ser más pequeño.

Respuestas (2)

No estoy seguro de saber cuál es la mejor manera de construir el tablero, pero sé lo que haría.

  1. La ubicación del regulador de 12 V a 5 V, ya sea lineal o de conmutación, no importará. La esquina del tablero está bien.
  2. No me molestaría en llenar la parte superior o inferior del tablero con planos de tierra. La impedancia de los rastros de la señal está definida por los planos internos, no por el cobre extra que viertes en el exterior. El cobre adicional no protege las señales internas, todo lo que hay debajo son planos de alimentación y tierra. En su lugar, conecte los pines de tierra y alimentación de los componentes directamente, lo más cerca posible del pin, a los planos.
  3. No comparta las vías de alimentación y tierra entre diferentes dispositivos. Una vía por pin minimiza el ruido en el pin y la distancia de enrutamiento al plano de tierra. Si está tan preocupado por el precio de fabricación que algunas vías van a ser significativas, debe enviar un volumen muy alto, por lo que puede crear prototipos de una docena de diseños diferentes para optimizarlo. Si se trata de una sola vez, el mayor riesgo de costo es que no lo haga bien la primera vez, así que sea conservador y use muchas vías.
  4. Coloque una vía en cada pin de tierra del componente (no necesariamente en cada pin de señal del componente que necesite enrutamiento a tierra). El ruido mínimo en los planos de potencia y tierra proviene de un desacoplamiento efectivo. El ruido de alta frecuencia se minimiza mediante el uso de condensadores cerámicos físicamente pequeños y manteniendo las vías de alimentación y tierra juntas, debajo del condensador, si es posible. El área de la sección transversal del bucle desde el plano de potencia hasta el condensador, a lo largo del condensador y hacia abajo hasta el plano de tierra, establece el límite inferior de la eficacia del desacoplamiento.
  5. Definitivamente no pondría ninguna división en el plano de tierra. En cambio, si hay señales analógicas sensibles al ruido, no enrutaría las señales digitales cerca de ellas. Intentaría mantener esas señales analógicas sensibles solo en la capa superior si es posible, sin vías en la parte inferior. Si puedo aislar un área de conexiones sensibles todas juntas en la capa superior, enrutaría un solo bucle de seguimiento alrededor de la capa superior y conectaría ese bucle en un punto con una vía al plano de tierra. Ese enfoque me ha funcionado bien en el pasado con señales muy sensibles.

Y finalmente: es concebible que alguna técnica inteligente de compartir conexiones a tierra pueda ayudar al ruido en el cableado analógico, pero necesitaría conocer el circuito exacto y pensar mucho al respecto para estar seguro. Estas reglas generales me han funcionado bastante bien.

¡Buena suerte!

No entiendo cómo enrutaría un solo bucle de seguimiento alrededor de la capa superior y conectaría ese bucle en un punto con una vía al plano de tierra . ¿Podría ampliar eso, por favor?
Una conexión analógica sensible es aquella que podría verse perturbada por el ruido acoplado de otras trazas. Por ejemplo, una entrada de tierra virtual en un amplificador operacional de alta velocidad. Si es posible, dirija todo el cable de esa conexión en la capa superior. Luego, dirija un rastro de señal en un bucle, alrededor del exterior de esa conexión, sin tocarlo, y conecte a tierra ese rastro de señal con una sola vía. El bucle reduce el acoplamiento a la conexión sensible de cualquier rastro cercano en la capa superior.
¿Quiere decir rodear los rastros de señal y las almohadillas con rastros de tierra o una isla de tierra?
Los rastros de la señal analógica están solo en la capa superior y se extienden a través del tablero desde la parte inferior hasta el ADC (plano superior U5). Hablando de bucles: Siempre me dijeron que evitara crear bucles. ¿El enrutamiento del rastro de la señal en un bucle no causaría un problema?
Si tiene trazas analógicas largas, enrutar bucles alrededor de ellas no será práctico. Estaba pensando en algunos componentes pequeños juntos. El campo magnético alterno puede inducir corrientes en los bucles y, por lo tanto, causar diferencias de voltaje a lo largo del bucle, por lo que son malos para las señales. Debido a que el bucle de blindaje no se usa para señalización y solo tiene una vía a tierra, eso no importa.

Creo que la práctica general debería ser mantener un plano sólido siempre que sea posible y luego colocar componentes ruidosos cerca de la periferia para que no contaminen los nodos sensibles.

Puedes colocar tu LDO donde quieras si vas a poner su salida al avión. La periferia, cerca del encabezado de 12V, podría ser un lugar natural para ello. Asegúrese de sujetarlo bien al avión con muchas vías.

Por el contrario, puede poner 12 V en el avión y obtener su LDO 5 V en los pocos puntos que lo necesite con cobre superior grueso.

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