Wo sollte ein Schaltregler in Bezug auf analoge und digitale Schaltungen platziert werden?

Hauptgestaltung:

Ich habe ein Mixed-Signal-Board wie folgt partitioniert:

PCB-Layout

Die gestrichelte blaue Linie zeigt die Analog/Digital-Trennung an, aber es handelt sich NICHT um einen Bodenschnitt. Durch diese Anordnung soll vermieden werden, dass sich analoge und digitale Rückströme überlagern.

Beachten Sie, dass einer der Mischsignal-ICs ein 18-Bit-DAC ist, der mit 5 Volt arbeitet. Dies bedeutet, dass es eine Spannungsauflösung von ungefähr 19 Mikrovolt hat. Ich möchte das Rauschen unter diesem Pegel halten, um die volle Leistung aus dem Chip herauszuholen.

Regulierungsbehörden

Die Leistung von VCC wird sofort zu einem Schaltregler geleitet. Es speist wiederum verschiedene Low-Dropout-Linearregler. Jeder LDO-Regler wird verwendet, um entweder analoge oder digitale Schaltungen mit Strom zu versorgen (nicht beides!) und wird entsprechend auf der analogen Seite oder der digitalen Seite platziert.

Fragen

Um das Rauschen in der Analog- und Mixed-Signal-Schaltung zu minimieren:

  1. Auf welcher Seite (analog oder digital) soll der Schaltregler platziert werden?
  2. Wenn das richtige Layout des Reglers und seiner umgebenden Kappen und Induktoren es nicht zulässt, dass sie ausschließlich auf die richtige Seite der Platine passen, sollte ein Bodenschnitt verwendet werden? Wo würde der Schnitt hingehen?

Ratschläge umsetzen

Hier ist ein neues Layout, das das Feedback verwendet, das ich erhalten habe:

PCB-Layout 2

Die durchgezogene blaue horizontale Linie ist ein Bodenschnitt, während dies bei der gestrichelten blauen vertikalen Linie nicht der Fall ist. Durch den Bodenschnitt verlaufen keine Spuren.

Zusatzfrage

  1. Können LDO-Regler auf der Rückseite der Platine gegenüber dem Schaltregler platziert werden, um diesen Platz nicht zu verschwenden? Ich habe das Gefühl, dass dies dazu führen würde, dass das Rauschen des Schaltreglers direkt auf die LDO-Ausgänge koppelt. Wenn dies passieren würde, würde es das großartige PSRR der LDOs in Frage stellen und zu unannehmbar lauten Stromleitungen führen.
Zunächst einmal sollten Sie zwei Gründe haben: Analog und Digital. Und sie verbinden sich nur an einem Punkt: Eingang GND. Ich würde eine Erdungsebene für Digital und eine Stern- oder Buserdung für Analog erstellen. Bei Schaltreglern ist es immer eine gute Praxis, die Komponenten nahe beieinander und auf der Eingangsseite zu halten. So können Sie SREG und andere LDOs auf der analogen Seite in der Nähe von VCC platzieren. Um digitale ICs zu versorgen, ziehen Sie eine Spur (keine Ebene) von der positiven Leitung zum IC und platzieren Sie einen 100n in der Nähe des IC (Diese Spur [mit nH Induktivität] und die Kappe bilden einen schönen Filter).
@RohatKılıç: Das Teilen der Grundebene wird heutzutage allgemein als schlechte Idee angesehen.
Ja, @RohatKılıç ist richtig, die Aufteilung der Grundebene ist eine SCHLECHTE Idee, die mehr Probleme verursacht als löst. Insbesondere die Kanten sind von Natur aus der lauteste Teil, und jeder Signalpfad, der diese Kante kreuzen muss, ist anfällig für Probleme. Außerdem können Signalrückpfade auch übermäßig lang und geteilt sein, was nicht gut ist.
Es sei denn natürlich, die Schaltung jedes einzelnen ist vollständig isoliert ...
Sie haben eine zentrale Idee für ein gutes Layout genannt, nämlich die Vermeidung von Rückstromüberschneidungen. Platzieren und verlegen Sie den Schaltregler so, dass der überlappende Rückweg mit den digitalen und analogen Schaltungen und insbesondere mit den analogen Schaltungen minimiert wird. Mit dem von Ihnen geposteten Bild scheint es am besten zu sein, den Schaltregler in der unteren rechten Ecke zu platzieren.
@rioraxe: Wenn ich sicherstellen wollte, dass kein Strom über den Schaltregler fließt, wäre ein horizontaler Masseschnitt über die Länge des Reglers ausreichend? Da die digitale Seite nicht breit genug ist, um den Regler aufzunehmen (sie würde auf die analoge Seite überlaufen, und daher auch der Bodenschnitt), wäre es dann besser, den Regler stattdessen unten links zu platzieren?

Antworten (2)

Ein horizontaler Bodenschnitt scheint das Richtige zu sein. In Verbindung mit dem Schnitt, mit dem Regler unten links, würde ich versuchen, den Regler so anzuordnen, dass sowohl der Strom ein- als auch der Strom natürlich durch die rechte Seite fließen, ohne dass eine Spur den Schnitt kreuzt. Ich weiß nicht, was ausreicht, da Sie eine Auflösung von 19 uV anstreben.

Ich habe ein neues Bild hochgeladen, von dem ich glaube, dass es das wiedergibt, was wir besprochen haben. Ich habe auch eine neue Frage hinzugefügt: Ist es akzeptabel, LDOs gegenüber dem Schaltregler zu platzieren?
Bei deiner Zielsetzung wo es auf Kleinigkeiten ankommt würde ich die LDOs nicht gegenüber dem Schaltregler platzieren. Angenommen, Sie verwenden einen Abwärtsregler, gibt es zwei Hauptschaltstromschleifen, jeweils eine zum Ein- und Ausschalten. Behalten Sie die beiden Schleifen im Auge und machen Sie sie so eng wie möglich. Da Sie Komponenten auf der Unterseite platzieren, können Sie die beiden Schleifen dadurch oft enger machen. Packen Sie den Schaltregler so dicht wie möglich und lassen Sie die LDOs davon weg.
Es gibt Umwege der beiden Schleifen von den Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Die Verwaltung der Impedanz dieser Kondensatoren würde sich auf Ihr Ziel auswirken.
Ich bin überrascht, dass Sie empfohlen haben, die Schaltreglerkomponenten auf zwei Schichten zu verteilen (um die Schleifenfläche zu reduzieren). Ich dachte, das Einführen von Durchkontaktierungen würde Probleme verursachen.
Warum sollten Vias ein Problem sein? Vielleicht von der Induktivität. Induktivität einer Durchkontaktierung: 0,5 mm Durchmesser, 1,6 mm Höhe -> 0,8 nH. Induktivität einer Spur: 0,8 mm breit, 1,6 mm lang -> 0,6 nH.
Mir wurde beigebracht, Bypass-Kondensatoren nicht auf der ihrem IC gegenüberliegenden Seite zu platzieren (dh die Kappe und den IC nicht durch Durchkontaktierungen zu verbinden). Ich nahm an, dass dies auch hier der Fall war.
Ich gehe davon aus, dass die Wahl, eine Komponente auf der Rückseite der Leiterplatte zu platzieren oder nicht (und daher über eine Durchkontaktierung zu verbinden oder nicht), davon abhängt, was zu der kürzesten Leiterbahn führt (z. B. zwischen einer Bypass-Kappe und ihrem IC). Ist mein Verständnis richtig?
Ich weiß wirklich nicht, warum Durchkontaktierungen ein Problem sein sollten. Ich vermutete, dass die Induktivität das Problem sein könnte. Es sollte nur ein weiterer Designaspekt sein, der verwaltet werden muss, ähnlich wie eine Spur. Bei einem Schaltregler ist die Induktivität oft relativ groß, sodass die Induktivität auf der einen Seite und die anderen Komponenten der Schleife(n) auf der anderen Seite gut ausfallen können. Das ist auch noch nicht das Ende der Geschichte, zum Beispiel ist die Wärmeableitung ein weiterer Designaspekt, der verwaltet werden muss ...

Angenommen, der SwitchReg zerhackt 1 Ampere bei 100 Nanosekunden. Unterstützung dort ist eine verwundbare Spur, 4 Zoll entfernt (0,1 Meter) mit einer Höhe über der GROUND-Ebene von 0,02 Zoll (1/2 Millimeter). Die Spur läuft für 0,1 Meter. Wie viel Müll wird der SwitchReg im Trace verursachen?

v ich N D u C e = 2 e − 7 ∗ A R e A / D ich S T A N C e ∗ D ICH / D T

Vinduce = 2e-7 * 0,1 m * 0,0005 m / 0,1 m * 10^+7 Ampere/Sekunde

Vinduce = 2e-7 * 0,5e-3 * e+7 = 1 Millivolt oder 53 LSBs.

Wie halten Sie das SwitchReg Hfield vom DAC fern? Stahlschilde?

[Bearbeiten] Hier ist die Topologie:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Können Sie bitte die Annahmen hinter der Berechnung erläutern?
Wo sollte ein Schaltregler in Bezug auf analoge und digitale Schaltungen platziert werden?
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