LDOのレイアウトのアドバイス

私は、1.8V、3.3V、5.0Vの3つの電圧で動作する4層ボードを開発しています。ボードには次のスタックアップがあります。

1. 信号
2. 接地
3. 3.3V
4. 信号

グランドと3.3Vプレーンは完全に壊れていません。信号や電力のトレースはそれらを伝わりません。

3つのLP38690DT LDOを使用して電力を供給しています-これが私の回路です。

大きな画像はこちらをクリックしてください。

私の懸念は、これらのデバイスのレイアウトです。データシートには、次のことを示唆しています

これを行う最善の方法は、CINとCOUTをデバイスの近くに配置し、VIN、VOUT、およびグランドピンへのトレースを短くすることです。レギュレータのグランドピンは、レギュレータとそのコンデンサが「シングルポイントグランド」になるように、外部回路>グランドに接続する必要があります。

「一点地面」という用語に少し混乱しましたが、データシートに記載されているアドバイスを最大限に活用しようとしましたが、正しいかどうかはわかりません。

赤のテキストはここの人々を明確にするためにそこにあるだけであることに注意してください-私は後でそれを削除します。各レギュレータはコンデンサに直接接続され、レギュレータの接地ピンはコンデンサの接地ピンに直接接続されます。これは、データシートが私がやるべきことを意味するものですか？

データシートは続けて言う

VINに入り、VOUTから来るトレースを介して大電流が流れるので、ケルビンはコンデンサのリード線をこれらのピンに接続し、入力コンデンサと出力コンデンサと直列に電圧降下が発生しないようにします。

Kelvin connectとはどういう意味ですか？私はケルビン接続が何であるかを知っています-私が理解していないのは、LDOのコンテキストでそれが何を意味するかです。

3つ目の質問は、3つすべての規制当局に関するものです。先に述べたように、各ICは、コンデンサをグランドプレーンに接続する同じビアからのグランドを参照しています。ただし、3つのレギュレータすべてを同じ接地点に接続する必要がありますか。つまり、3つのレギュレータすべてを「単一の接地点/ビア」に接続する必要がありますか？

最後に、入力電圧は4点スルーホールコネクタから供給されます。このコネクタは、2つの導体に6 V、他の2つの導体にGNDを供給します。GNDピンは、直接グランドプレーンに接続されています。これで問題ありませんか、それともGNDピンをレギュレータのGNDピンに太いトレースで直接接続する必要がありますか？

注：レイアウト図には、レギュレータの出力に接続されているものは何も表示されていません。これはOKです。ICを電源に接続する必要があります。また、レギュレータの下の栗色は網ではありません。これはPCBレイアウトで「部屋」を表示するAltiumの方法です。

現在の要件

電流のほとんどは5V電源から供給されます。5V電源は、最大を引き出すLCDディスプレイに接続します。400mA（バックライトがオンの場合）-通常は約250mA。

3.3V電源は最大を引きます。300mA（不連続）ですが、通常は約150mA以下です。

1.8Vは、私のボードにあるCPLDのコア用の電源です。これを見積もることはできませんでしたが、測定しました。起動時、これは約30mAでしたが、その後0mAに減少しました。私のメーターは、実際に電流を測定するのに十分な感度を持っていなかったようです。私は200mAがこれに対する安全な賭けだと思います。

更新されたレイアウト：

これがここの人々が意味したものであることを願っています。大きな銅を1つ注ぐのか、3つに分けるのかわからなかったので、3つに分けて行った。

更新されたレイアウト（再度）：

3つの独立した銅の代わりに1つの巨大な銅を注ぐようになりました。複数のビアを使用して3.3V電圧を電源プレーンに接続する方法がわからなかったので、上記は私の試みです。私は小さなフィルを作り、それを出力コンデンサに直接接続しました。そこから、4つのビアがあり、それぞれのサイズは25ミルで、電源プレーンに直接接続しています。これはそれを行うためのより良い方法ですか？

フィルと他のオブジェクトの間のクリアランスは約15ミルです。これを増やすべきですか？

しかし、全体としては、GNDの重要性を考えすぎています。誤解しないでください。他にも重要なことがあるだけで、GNDを正しく取得するのは比較的簡単です。

電圧を指定しましたが、電流を指定していません。電流を知らなければ、LDOによって生成される熱はわかりません。また、熱はPCBのレイアウト方法に大きく影響します。発生した熱はささいなものだと思います。

これが私がすることです...

1. キャップを90度回転させます（時々時計回り、時には反時計回り）。あなたがしていることは、キャップのGNDピンをまとめて、LDOのGNDとキャップの間の距離を短くすることです。
2. すべてのトレースを広くします。少なくとも接続先のパッドと同じ幅です。可能であれば、複数のVIAを使用します。
3. + 6vトレースを「別の場所」に配置します。PCBの背面またはLDOの右側にあります。これはまもなく理にかなっています。
4. 全体の下と周りの最上層に銅プレーンを配置します。複数のVIAを使用してこれをGND層に接続します。LDOごとに約10個のビアを使用します。大部分は巨大なGNDピンの周囲です。LDOとキャップの両方のGNDピンは、「熱緩和」なしで直接このプレーンに接続する必要があります。正確なサイズは、利用可能なスペースとLDOが放出する熱の量に依存しますが、このプレーンは適度に大きい必要があります。LDOあたり1または2平方インチから始めるのがよいでしょう。

銅プレーンには2つの理由があります。1. LDOのどこかからの熱を放散させます。2.キャップとLDOの間に低インピーダンスパスを提供します。

すべてのビアの理由は次のとおりです。1.これにより、熱の一部がGND層に伝達されます。2. LDOからGND層への低インピーダンスパスを提供します。

そして、太いトレースと複数のビアの理由は、単にインピーダンスの低いパスのためです。

ただし、警告します。これを行うと、LDOの手はんだ付けが難しくなります。銅プレーン+ビアは、はんだごてから熱を吸い取りたいので、はんだは（もしあれば）非常に長く溶け続けることはありません。これを回避するには、より高温のはんだごてを使用するか、ヒートガンを使用してPCB全体を最初にウォームアップすることで、より適切に予熱できます。はんだを溶かすほど高温にしないでください（通常のアイロンを使用してください）。ボード全体を予熱することで、アイロンにかける要求が少なくなります。私見、これは大したことではありませんが、注意して計画する必要があります。

この方法はまた、GNDへの適切な接続を提供します。

元のポスターからの新しい情報に基づいて更新：

あなたの5vレギュレーターは400 mAで6vから5v（1ボルトのドロップ）に落ちています。これにより、0.4ワットの熱が発生します。150 mAで6 Vから3.3 V = 0.4ワット。200 mAで6〜1.8 V = 0.84ワット。3つすべてのLDOの合計1.64ワット。これはクレイジーではありませんが、かなりの熱量です。これが冷却される方法に注意を払う必要があることを意味します。そうしないと、過熱します。あなたはそれを適切に行うための道を進んでいます。

3つではなく1つの平面が必要です。そして、飛行機は可能な限り遠くに伸びるべきであり、LDO自体の面積を少なくとも2倍にすることをお勧めします。平面が大きいほど、冷却効果が高くなります。平面が本当に大きい場合は、平方インチごとに少なくとも4つのビアを配置する必要があります。プレーンを共有することで、3つのレギュレーターが冷却を共有します。これを行わなかった場合、1つのレギュレータが非常に熱くなり、他の2つは暖かくなります。

あなたができる別の最適化は、+ 6vが各LDOにどのように組み込まれるかです。現時点では、それはLDOにまで至ります。包み込むことなく、キャップにまっすぐ入れてください。これにより、太いトレースを使用して、少し短くすることができます。とにかく、キャップの周りを覆う少量のGNDプレーンは、あまり効果がありません。

LDOの出力から電力が供給されるところまで、いくつかのビアが必要になります。現在持っている単一のビアだけではありません。

「ケルビン接続」とは、次のことを意味します。VinピンとVoutピンのそれぞれに2つの個別のトレースを配置します。1つはコンデンサにのみ接続する「低電流」トレース、もう1つは外部に接続する「高電流」トレースです。これは電流センスシャント抵抗と非常によく似ています（同じ理由で）抵抗の両端に2つの別々の接続があるケルビン接続を使用します。

あなたはすでにそれを行っており、すべての下にしっかりとした接地面を配置しているので、PCBレイアウトは見栄えがします。

このパッケージに「最小」の推奨フットプリントを使用しているようです-個人的には私ははるかに多くの銅を使用しますが、おそらくアプリケーションは熱をほとんど放散しないので、必要ありません。 a b

複数の電源レールがある私が行った設計では、多くの場合、1つの電源レールを一緒に必要とするすべての部品と、他の電源を必要とするすべての部品がどこかにあるため、各電圧レギュレータを必要な部品の近くに配置しますそれ。（「調整されていない」電圧トレースがボード全体を長い距離蛇行して100ミリボルト程度降下する場合は、「調整された」電圧トレースが同じことを行う場合よりも優れています。

レギュレーターの「前線」にキャップを付けたのに対し、私はレギュレーターの「側面」にキャップを付けました。これにより、VinおよびVoutキャップへのケルビン接続を可能にしながら、キャップのグランドをレギュレータの実際のグランドタブに近づけます。おまけとして、レギュレーターのVinピンに到達するためにキャップの周りを「蛇」にする必要はもうありません。

また、下のレイヤーに素敵な大きなグランドパッドを配置して、多数のビアで接続しました。これをパッドにして、はんだマスクがないようにすることが重要です（または、下部のはんだ層にボイドを置くこともできます）。ソルダーマスクがないため、空気との熱伝導率が向上します。ただし、トップパッドでこれを行わないでください。組み立てが難しくなる可能性があります。

電源コネクタについては、直接グランドプレーンに接続します。デビッドが言ったように、飛行機よりも大きくも太くもなりません。編集：コネクタがレギュレータから1〜2インチしか離れていない場合を除きます。最上層の大きな太いグランドトレースに加えて、まだビアを使用します。1インチまたは2インチ以上で、それは価値がありません。その時点で、トレースはおそらくビアよりも多くのインピーダンスを持つことになります。

CPLDコア電圧は、50 MHzまたはそのようなもので10を実行していない限り、ほぼ確実に200 mAを消費しません。データシートで最大動的電流を調べて、より現実的な数値を取得します。または、CPLDをできるだけ高速かつ頻繁にトグルして電流消費を再測定するようにプログラムします（コアロジックが状態を変更していない場合は、電流を消費しません）。私が見つけたザイリンクスCPLDの例では、周波数に大きく依存する最大電流があり、数百uAから数十mAまで変化しました。

1.8Vレギュレータを3.3Vレギュレータ出力からカスケード接続することを検討します。これにより、1.8Vレギュレータの電力消費が65％削減されますが、追加の電流によって3.3Vの消費が増加します。これが価値があるかどうかを確認するには、数値をクランチする必要があります（通常、小さいレギュレータは大きいレギュレータよりも消費電流が少ない場合です）。しかし、非常に素晴らしいボーナスは、レギュレータをカスケード接続するとリップル除去が2倍になることです。

熱部門のもう1つのヒントは、赤外線温度計に投資することです（20ドルほどです）。これは、特にICの黒い表面の放射率が高いことが多いため、温度測定に最適な方法です。私は通常、「ストレステスト」の測定を行うために必要以上のリソースを意図的に使用する特別なファームウェアを作成し、PCBを1〜2時間エンクロージャに置いて、定常状態の温度に達したと確信します。

最後に、部屋全体に1つの巨大な銅を注ぐことは害になりませんが、同じ電圧の2つのレギュレータを並列に使用している場合、これは悪い考えです。製造公差により、1つのレギュレーターが他のレギュレーターよりも熱くなり始め、インピーダンスが低下します。つまり、電流が増加し、熱が増加します。つまり、熱暴走するまでインピーダンスが低下します。これは現在のアプリケーションでは問題ではありませんが、将来的に留意する必要があります。

最適なオプションは、3つのLDOすべての下にグランドプレーンを配置することです。これは、使用したアプローチであるため、レイアウトからはすべてが美しく見えます。

2番目の最適なオプションです。接地面を落とすことができない場合は、スターアースネットワークを使用してください。