Separación de planos de tierra de alta y baja potencia

Estoy diseñando un convertidor DC-DC bidireccional para uso automotriz. Por lo tanto, hay algunas cosas de alta potencia que deben implementarse en la PCB. El diseño general es como tal:

Diseño de placa de circuito impreso

Mi pregunta es si debo separar los planos de tierra de alta y baja potencia. Si es así, ¿cómo haría esto? Necesitan estar conectados en algún lugar, así que no estoy seguro de dónde haría eso. De momento lo tengo así:

Planos de tierra de diseño de PCB

Así que hay dos planos de tierra 'grandes', y unidos entre sí en el centro a través de pistas más pequeñas. ¿Elimino las pistas y me conecto a otro lugar por completo, o esto funcionaría?

Además, agradecería mucho algunos consejos generales sobre mi diseño, ya que esta es mi primera PCB y todavía soy bastante inexperto. La razón de todos los pines es porque se supone que esto funciona como una placa de prueba.

Aquí está el esquema:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Comentarios sobre los pines de prueba: generalmente no puede tener demasiados. De hecho, veo pines de prueba especialmente en placas diseñadas por ingenieros experimentados y, a menos que esté hablando de una integración muy alta, incluso en PCB de producción, nunca entenderá por qué el 1% de sus placas fallan en el campo y no podrá para llevar a su fabricante de PCB a la regresión por eso si no encuentra ese voltaje que no es tan limpio en la PCB de producción como lo fue en el prototipo de PCB si no tiene pines de prueba.
Solo tenga un poco de cuidado con el enrutamiento de señales rápidas: una línea auxiliar modifica la señal en una traza al actuar como un componente reactivo a frecuencias suficientemente altas.
Los pines PWM en realidad no son líneas auxiliares. Los pines son la entrada real del PWM desde un micro externo. PWM es alrededor de 100kHz. ¿La longitud de las trazas interferiría/modificaría la señal?
modificar: si. Eso es medible: no sé, depende de la parte receptora, supongo, pero a 100 kHz, no me preocuparía demasiado :)
Solo mirar la PCB es un poco inútil sin un esquema, puedo inferir lo que hacen la mayoría de las partes, pero en cuanto a la función general de la placa, no tengo ni idea. Como mínimo, debe dar una lista de la función de las partes importantes. ¿Dónde está tu entrada de energía? ¿Es 12V o uno de los CONTRAS?
No, no describa el tablero, publíquelo en cualquier lugar y proporcione un enlace en un comentario.
Aquí está el esquema: imgur.com/a/kFVAE
Parece que está utilizando Altium Designer, el objeto Net Tie puede ayudarlo a administrar diferentes redes de tierra.

Respuestas (3)

Esta placa no funcionará...

¡No hay condensadores en la entrada y salida de su DC-DC!

Vamos... Teniendo en cuenta el enorme tamaño del inductor y el hecho de que hay ACS711-25, son al menos 10 amperios... Por favor, por favor, por favor. Pegue una buena cantidad de cerámica, además de algunas tapas a granel de baja ESR tanto en la entrada como en la salida.

Considera esto:

  • Q3 APAGADO, Q4 ENCENDIDO, I(L)=5A
  • Q3 se enciende, Q4 se apaga
  • La corriente del inductor ahora debe ir a alguna parte (en la salida)
  • Sin embargo, no hay tapas. Esto significa que la corriente debe entrar en la inductancia de los cables...
  • L1 generará suficiente voltaje en la salida para forzar su corriente donde sea que tenga que ir.
  • Todos los componentes en la salida explotarán.

Ahora, diseño. Comenzaré con los controladores MOSFET.

Desea que los bucles de corriente sean pequeños para garantizar una conmutación rápida y limpia, sin que suene. Para el controlador U4 y los FET Q1/Q2, los bucles son:

  • Encendido Q2: GND-C15-U4.VCC-U4.BG-Q2.G-GND
  • Apagado Q2: GND-U4.GND-U4.BG--Q2.G-GND
  • Encendido Q1: U4.TS-C14-U4.Boost-U4.TG-Q1.G-Q1.S-U4.TS
  • Apagado Q1: U4.TS-U4.TG-Q1.G-Q1.S-U4.TS

También se debe optimizar el bucle de carga C14:

  • TIERRA-C15-D1-C14-Q2-GND

Error de diseño: estos bucles son bastante largos y se ejecutan sobre divisiones en el plano de tierra. ¡Los controladores de puerta no son amplificadores operacionales analógicos sensibles! Puede ubicarlos cerca de los FET, con pistas cortas para la activación de la puerta... ¡y optimizar la colocación de las tapas de desacoplamiento! (Veo una división en el plano GND entre sus tapas de desacoplamiento GND y GND del chip)...

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Su sensor de corriente Hall está aislado, lo que significa que debe hacer referencia a su salida a tierra de señal, no a tierra de alimentación ruidosa. Compruebe también si necesita una tapa de desacoplamiento.

Además, su salida está centrada en VCC/2, que es su 3V3. Si este 3V3 es diferente al que se usa en el micro, tendrás DC offset.

MCP604 no tiene entrada de riel a riel, lo que podría ser incompatible con el voltaje de salida del ACS711.

¿Revisaste la disipación térmica del MOSFET?

Los FET de 80V parecen un poco altos para uso automotriz. ¿Quizás podría mejorar RdsON*Qg con FET de 40-60 V?

No se puede encontrar la hoja de datos para el diodo STPS2105.

Mire C9-10-11-12-13, ¿por qué sus tapas de desacoplamiento están agrupadas en una esquina del tablero, en lugar de estar cerca de los chips que se supone que deben desacoplar?

El esquema dice U2=LT1764EQ, que no es la parte 3V3. Además, ¿necesita un LT LDO grande y caro aquí?

La ubicación de las vías GND para los condensadores C3, C8 es... uhhhh... ¿hay alguna vía GND?

Pero... Este tipo de DC-DC es DIFÍCIL de lograr. ¡Este realmente NO es el tipo de circuito que desea hacer para su primer PCB! Hay tantos errores aquí... y cada vez que lo miro encuentro más... y es normal ya que esta es tu primera PCB, como dices.

No hay forma de que un principiante tenga éxito en este tipo de diseño. No estoy tratando de golpearte o insultarte, ¿de acuerdo? Pero corre el riesgo de quemar toneladas de piezas, perder una semana de frustración y probablemente no funcionará.

También está el hecho de que esto está controlado por PWM, por lo que un error de software puede hacer que sus FET exploten. Y no elegiste el paquete más fácil de desoldar...

Le sugiero encarecidamente que busque ayuda de alguien calificado que pueda mirar por encima de su hombro y ayudarlo, esto evitará muchos dolores de cabeza.

¿Cuál es el voltaje de descarga de carga automotriz? cuando el alternador de repente NO TIENE BATERÍA para proporcionar una carga? 80 voltios?

Los cortes que ha creado en su plano de tierra no tienen ningún efecto en la separación que tiene en mente. Esto se conoce como un segundo problema básico en los circuitos de señal mixta cuando los circuitos de alta corriente de baja frecuencia, como los MOSFET de conmutación o los relés, están en su PCB e interfieren con los circuitos analógicos y digitales de bajo nivel. Necesitas crear un foso o terreno completamente aislado.

Esta es una posible solución.

Calcule algunos de los voltajes inducidos magnéticamente, particularmente de bucles de corriente alta y rápida, en los circuitos del servoregulador. Una combinación de Biot_Savart y Faraday Law Induction le brinda la capacidad de calcular el voltaje inducido en el bucle, dado un dI/dT y dB/dT del cable cercano.

Vinduce = [MUo*MUr * Área/(2*pi*Distancia)] * dI/dT

Suponga que dI/dT es de 10 amperios en 10 nanosegundos (interruptor FET muy rápido) en el cable agresor.

Suponga que el área del bucle vulnerable es de 0,1 metros * 0,1 metros, ubicada a 0,1 metros del cable.

Vinduce es 4*pi*10^-7H/m *1(aire)*0,1m*0,1m/(2*pi*0,1m) * 10^+9 amperios/segundo

Vinduce es 2e-7 * 0.1 * 1e+9 = 2e-8+9 === 20 voltios.

En tales campos magnéticos, particularmente en los bordes muy rápidos, el servosistema se destruye.

Piense en proteger los circuitos servo de retroalimentación del regulador.

Por cierto, esta interferencia Hfield (campo magnético) está integrada en la función GARGOYLE de SignalChainExplorer, disponible en robustcircuitdesign.com

La intención es ayudar al diseñador del sistema integrado a modelar todas las fuentes de error relevantes, evitando las sorpresas de fenómenos que a menudo se ignoran.

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En el trabajo anterior, el representante del cliente me invitó a una llamada telefónica, donde el cliente tenía un problema de líneas caídas con nuestro silicio, que habían utilizado con éxito durante una década. Algo había cambiado y su controlador de velocidad del motor de 15 000 caballos de fuerza estaba fallando en el campo. En varios lugares de la PCB del controlador, fallaron varios de nuestros silicios. Pero no en todos los lugares.

Algunas ubicaciones nunca tienen fallas. Otras ubicaciones tuvieron el 25% de las fallas. Sin embargo, la PCB tiene 6 capas con muchas rutas de eliminación de calor. ¿Que esta pasando?

Calculamos Vinduce = 2e-7 * 40mm * 40mm/40mm * 2e9 amp/segundo

El PCB de control estaba a 40 mm del bus de 2000 amperios, encendiéndose/apagándose en 1uS.

Vinduce = 2e-7 * 0.04 * 2e9 = 0.16 * 100 = DIECISÉIS VOLTIOS

Había 16 voltios inducidos en el PLANO DE TIERRA. Llámalo corriente de Foucault. Ciertamente se produjo alguna cancelación de Hfield.

Queja del cliente: sus piezas fallan. Nuestra respuesta: movió la placa de circuito impreso demasiado cerca del bus de 2000 amperios. Cliente: ayúdanos. Nuestra respuesta: coloque un protector de aluminio entre la placa de circuito impreso y el bus.

RESUMEN: CUANDO SU CIRCUITO DE CONMUTACIÓN supera los 100 000 000 amperios/segundo dI/dT, debe esperar grandes alteraciones en las tierras, planos de tierra, VDD, planos de VDD, pines de regulación de retroalimentación y, de hecho, en cualquier rastro.

Separación de planos de tierra de alta y baja potencia
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