PCB-Layout und Leiterbahnbreiten für Abwärtswandler

Ich mache ein PCB-Layout für einen einfachen 12-V-DC-zu-5-VDC-Abwärtswandler. Die Nennleistung beträgt 3A Dauerstrom 5A Spitze. Hier sind Links zum Schaltplan und gehen Sie zuerst zum PCB-Layout. Mir ist klar, dass die Spuren viel zu dünn sind.

http://uefi.io/buck-pcb.png

http://uefi.io/buck-schematic.png

Ich entwerfe dies auf der Grundlage der Annahme, dass ich OSHPark verwenden würde, um die Platine herzustellen, die 1 Unze dicke Kupferschichten verwendet. Dies bedeutet, dass ich für den maximalen 5-A-Ausgang einen Ausgangsstrom von 109 Millionen benötige. Derzeit sind sie 9,84 Millionen. Dies führt mich zu einigen Fragen, hauptsächlich zur aktuellen Kapazität.

1) Wenn die Last 5 A zieht, beträgt der Ausgang des Abwärtswandlers an den Schaltausgängen 5 A? Ich gehe davon aus, dass es basierend auf dem Arbeitszyklus ein Bruchteil dieser 5 A wäre, aber ich bin mir nicht sicher, ob dies eine zu starke Vereinfachung ist. Da der Chip, den ich in meinem Design verwendet habe, 3 Schaltausgangspins hat, um die Stromlast zu teilen, sind sie zusammen immer noch weniger als die Hälfte der 109mill-Breite.

2) Der Widerstandszweig lässt sich leicht für den Strom berechnen (5 V / 4,16 K = 1,2 mA), daher gibt es überhaupt keine Bedenken. Ich gehe davon aus, dass die Diode mit 5A bewertet werden sollte. Was ist aber mit den Kondensatorzweigen? Ich bin mir nicht sicher, welche Stromkapazität diese benötigen werden. Mir ist klar, dass kein elektrischer Strom durch sie fließt, aber sie laden und entladen sich, um die Welligkeit zu glätten, also muss ein gewisser Verschiebungsstrom vorhanden sein? Muss ich mir darüber Gedanken machen?

3) Welche Größe sollten meine Durchkontaktierungen haben? Ich habe viele Rechner und Tools für die Leiterbahnbreite gefunden, aber nichts über Durchkontaktierungen.

4) Die 109mil-Spur für 5A ist tatsächlich breiter als das Pad für meine Schraubklemme. Soll ich die Pads einfach größer machen? Gibt es eine allgemeine Faustregel in Bezug auf die Pad-Größe gegenüber der darin enthaltenen Spur? Was ist mit Verbindungen von den anderen parallelen Zweigen wie den Rückkopplungswiderständen? Ist es in Ordnung, einfach eine dünnere Spur auf eine dickere zu legen?

5) Irgendwelche anderen Rückmeldungen darüber, was ich mit diesem PCB-Layout gemacht habe? Wie ich schon sagte, es ist mein erster Versuch, eine Leiterplatte zu entwerfen.

Beachten Sie, dass ich eigentlich keine Anwendung im Sinn habe. Ziel dieser Übung war es, Erfahrungen mit dem PCB-Layout und KiCAD zu sammeln. Dies ist mein erstes PCB-Layout. Ich werde es wahrscheinlich mit einer Dummy-Ladung laden, um zu bestätigen, dass es funktioniert, und mit dem nächsten Projekt fortfahren, ohne dass es jemals zu einem Gehäuse oder einem fertigen Produkt kommt.

UPDATE: Revision 2

buck-pcb-revB

UPDATE: Revision 3

Mir ist klar, dass es wahrscheinlich noch erhebliche Probleme damit gibt und dass ich bereits eine Antwort akzeptiert habe. Der Vollständigkeit halber nur eine "endgültige" Überarbeitung. Mindestens endgültige Kicad-Version. Ich kann versuchen, es in Eagle oder etwas anderem zu wiederholen.

buck-pcb-revc1 buck-pcb-revc2

Ich sollte hinzufügen, dass die Footprints für C1/C4, H1/H2, U1 und L1 von mir selbst erstellt wurden. Wenn also etwas dort abgeht, könnte das der Grund sein.
Switcher sind Layout-sensitiv (selbst wenn es nur ums Geld geht). Das Layout für den Switcher herauszufinden ist nicht einfach. Am besten verwenden Sie - soweit praktikabel - das vom IC-Hersteller bereitgestellte Layout. Manchmal ist das empfohlene Layout im Datenblatt eingezeichnet ( Beispiel , S.12). Manchmal hat der Chip ein Evaluierungsboard und das Layout ist im Handbuch des Evaluierungsboards detailliert beschrieben. Das empfohlene Layout für Ihren speziellen IC ist nirgendwo zu finden. Es kann besser sein, nach einem anderen IC mit einem veröffentlichten empfohlenen Layout zu suchen.
Normalerweise schneide ich eine Lücke in die Masseebene zwischen dem Schaltknoten und Vin, um zu verhindern, dass das Schaltrauschen in Rückwärtsrichtung an den Eingang gekoppelt wird. Ich lösche auch alles unter dem Induktor. Wie bereits erwähnt, sind Switcher komplex in der Auslegung, und es ist immer ratsam, den Anweisungen des Herstellers zu folgen, sofern verfügbar.
Update 3 ist ungefähr 1000x besser. Benötigen Sie jedoch noch einige Durchkontaktierungen unter dem Erdungspad!
Wenn Sie schon dabei sind, verbinden Sie den Erdungsguss an C2-Pad 2 mit dem U1-Wärmeleitpad und entfernen Sie einen Teil des Kupfergusses um C3. Wie bereits besprochen, ist der Modus, den der Schaltknoten ausstrahlt, Spannung/elektrisches Feld, und das wird mit zunehmender Oberfläche schlimmer. Da C3 nur eine Bootstrap-Kappe ist, sollte nicht viel Strom durch sie fließen.
Vielleicht habe ich es verpasst, aber ich sehe keinen Eingangskondensator an Vin. "Für die beste Leistung des Netzteils sollte der Eingangspin immer mit einem Eingangskondensator in der Nähe von Pin 2 umgangen werden."
Ich habe noch ein paar Änderungen vorgenommen, bevor ich eine Bestellung bei OSHPark aufgegeben habe. Ich habe viele Durchkontaktierungen, die die Masseebenen verbinden. Jedes Mal, wenn ich falsch auf meinen Bildschirm atme, würde KiCAD die Netzzuordnungen dieser Vias verlieren. Ich habe sie direkt vor dem Plotten der Gerber-Dateien ersetzt. Wenn ich speichere, beende und öffne die Datei erneut, obwohl sie nicht mit dem Bodennetz verbunden sind. Sie werden direkt in den Gerber-Dateien angezeigt.
Ich habe die Drähte, die die beiden Vin-Stifte verbinden, so breit wie möglich gemacht, aber die Stifte selbst sind nur 0,4 mm und 0,8 mm von Mitte zu Mitte. Das Leben schwer gemacht. Ich bin mir nicht sicher, ob ich die thermischen Entlastungen an diesen Stiften aufgeben und nur eine solide Kupferfüllung haben sollte. Ich habe den Sperrbereich erweitert, um den gesamten Schaltknoten einzuschließen, nicht nur die Induktivität. C1 und C2 sind die Eingangskondensatoren.
Es ist Ewigkeiten her, dass Sie die Frage gestellt haben, aber warum haben Sie den Bodenguss unter dem Induktor entfernt?

Antworten (1)

Sie sollten diese Spuren in große Kupfergüsse verwandeln.

Sie müssen den Kondensator mit dem Ausgang der Induktivität zusammenbringen. Dadurch wird das Rauschen in Ihrer Schaltung reduziert, da jederzeit ein großer Wechselstrom aus der Induktivität in den Kondensator fließt.

Bedenken Sie, dass der Wechselstrompfad in den Kondensator seinen Stromkreis zurück zur Masse des ICs führen muss, und bewegen Sie ihn entsprechend.

Machen Sie Ihren Schaltknoten so klein wie möglich, um Rauschen zu eliminieren. C3 sieht ziemlich gut aus, aber danach wird es ziemlich verheddert.

Sie müssen Durchkontaktierungen unter dem Erdungspad des ICs für die Wärmeleitung in die Erdungsebene hinzufügen.

FWIW, ich habe einen Dreifach-Abwärtswandler , bei dem ich versucht habe, ihn für einen kleinen Bereich (insbesondere einen kleinen Schleifenbereich) zu optimieren. Dies kann weiter verbessert werden, indem der Spannungsteiler aus dem Weg geräumt und die Anschlüsse größer gemacht werden.
Ich habe die Kondensatoren neu angeordnet und versucht, den Schaltknoten so weit wie möglich zu verkleinern. Das neue Layout habe ich angehängt. Ich wollte gerade mit dem Hinzufügen von Güssen beginnen, aber ich bin mir nicht sicher, wie Sie den Knoten für die Größenumschaltung ändern, wie Sie erwähnt haben. Ist physische Nähe alles, was zählt, oder bedeutet ein größerer Kupferguss mehr Material, von dem Geräusche abgestrahlt werden können?
Wenn das gut funktioniert, wäre ich schockiert. Lesen Sie einige Datenblätter für Umschalter von Linear Technology und sehen Sie, wie sie die Layouts erstellen. Sie haben hochinduktive Pfade zur Erde mit schmalen Drähten und einzelnen Durchkontaktierungen. Sie haben auch keine Möglichkeit, die Hitze aus U1 herauszuholen. || Tut mir leid, Mann, das Zeug ist nicht einfach!
Sie müssen den massiven Guss zum IC-Pad nicht mit klitzekleinen Drähten überbrücken, keine Angst vor Fettspuren!
1. Verbinden Sie Netze mit der richtigen Leiterbahnbreite (viel dicker als Signalleiter) 2. Fügen Sie Gießungen hinzu, wie Sie können, um sie zu ergänzen und nach Bedarf (sauberer als eine reine Gießleiterbahn IMO) 3. RESPEKTIEREN SIE DAS KREUZBILD AUF HV-SPUREN 4. Studieren Sie bestehende Konstruktionen ausgiebig (Diese werden massenhaft hergestellt, zuverlässig, für ein paar Dollar, erfinden Sie das Rad nicht neu)
PCB-Layout und Leiterbahnbreiten für Abwärtswandler
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