Плата питания с LDO: топология

Схема готова и проверена — переходим к плате. На мультивибраторе почти не было токов и тепла, поэтому топология там прощала многое. Здесь у топологии три задачи: провести силовой ток коротким путём, увести тепло от стабилизатора и дать надёжную землю.

Шаг 1. Документ платы и контур

Создай документ Power3V3.PcbDoc и добавь его в проект (урок 7.5). Дальше:

1. Контур 40×30 мм. Нарисуй прямоугольник линиями на механическом слое со скруглёнными углами (радиус 2 мм — плату приятнее держать в руках), выдели его и выполни Design›Board Shape›Define Board Shape from Selected Objects.
2. Крепёжные отверстия M3. Неметаллизированные отверстия 3,2 мм в 3,5 мм от краёв. Вокруг них — запретная зона для меди и деталей диаметром около 6–7 мм под головку винта или шайбу.
3. Стек слоёв — стандартный двухслойный 1,6 мм, медь 35 мкм (1 oz) с двух сторон (урок 4.3).
4. Перенос схемы: Design›Update PCB Document Power3V3.PcbDoc — детали появятся рядом с контуром в «комнате».

🛠Особенность Altium

Вид платы переключается клавишами: 1 — режим планирования (Board Planning), 2 — обычный 2D, 3 — 3D. В 3D удобно проверить, что гнездо J1 нависает над краем платы правильно и не упирается в отверстие.

Шаг 2. Правила

Правила задают ограничения, а не «пожелания». Исходные значения — для типового недорогого производства двухслойных плат. Окончательные значения сверь с технологическими нормами своего производителя (урок 10.9).

Правило	Значение	Откуда
Clearance (зазор), все цепи	0,2 мм	напряжения до 15 В — по таблице зазоров IPC-2221B хватает и меньшего; 0,2 мм с запасом укладывается в нормы большинства производителей
Width, сигнальные цепи	0,25 мм	обычное значение для «спокойных» цепей
Width, цепи VIN, +3V3, GND	мин. 0,5 мм, предпочт. 1,0 мм	расчёт ниже плюс запас на механику и падение напряжения
Routing Via Style	отверстие 0,3 мм, площадка 0,6 мм	типовые нормы производителей; проверь у своего
Polygon Connect Style	термобарьеры для обычных площадок, прямое соединение для фланца DA1	шаг 5

Ширина силовой дорожки по току (IPC-2221). Возьмём 0,5 А, внешний слой, нагрев 10 °C:

Ширина дорожки по току (IPC-2221)

Ток I, АДопустимый перегрев ΔT, °C10 °C — осторожно, 20–30 °C — обычноДлина дорожки, ммдля расчёта падения напряжения

Внешний слойВнутренний слой

Минимальная ширина

—

То же в mil

—

Сечение

—

Сопротивление / падение U

—

Потери мощности

—

Формула IPC-2221 (ревизии B и C): I = k·ΔT^0,44·A^0,725, k = 0,048 (внешний) / 0,024 (внутренний), A — сечение в mil². Это минимум по нагреву, а не рекомендация. Новый стандарт IPC-2152 точнее, особенно для внутренних слоёв. Окончательную ширину сверяй с технологическими нормами производителя и добавляй запас.

Калькулятор покажет около 0,12 мм. Это минимум по нагреву. Мы берём 0,5–1 мм: так меньше падение напряжения, дорожка прочнее при пайке гнезда, и на будущее остаётся запас. Подробно — урок 5.4.

Правила создаются в Design›Rules. Для силовых цепей заведи класс цепей PWR (VIN, +3V3, GND) и правило Width с областью действия InNetClass('PWR') — см. урок 9.3.

Шаг 3. Размещение — по потоку тока

Рис. 11.4. Эскиз размещения 40×30 мм. Разъёмы — по краям. Цепочка «вход → VT1 → C1 → DA1 → C3 → выход» идёт слева направо без петель. Под фланцем DA1 (это вывод OUT) — большой медный полигон +3V3 с переходными отверстиями на такой же полигон на нижнем слое: через них уходит тепло. Остальной нижний слой — сплошная земля.

Правило для силовых схем: детали ставят в том порядке, в каком через них течёт ток. Получается цепочка без возвратов и петель:

1. J1 и J2 на противоположных краях. Гнездо питания — на кромке, чтобы штекер входил снаружи. Выход — с другой стороны.
2. VT1 сразу за J1, затем C1 и C2 вплотную к выводу IN стабилизатора. C2 (100 нФ) — ближе всех: высокочастотная развязка работает, только если петля «вывод → конденсатор → земля» короткая (урок 5.7).
3. DA1 — с запасом свободного места вокруг фланца под медный полигон.
4. C3 вплотную к выводу OUT и к земле. Длинная дорожка до выходного конденсатора добавляет индуктивность и может ухудшить устойчивость.
5. HL1 и R2 — где угодно рядом с выходом: ток маленький.
6. Контрольные точки TP1–TP3 — там, куда удобно поставить щупы, не задевая детали.

💡Совет

Поверни все детали одинаково (например, «+» танталовых конденсаторов в одну сторону, к стабилизатору). На сборке меньше шансов перепутать полярность, на фото платы — проще найти ошибку.

Шаг 4. Трассировка

Трассировка интерактивная: Route›Interactive Routing, Ctrl+W. Порядок:

1. Силовые цепи первыми: VIN от J1 через VT1 к C1, C2 и IN; +3V3 от OUT через C3 к J2. Широкими дорожками, по верхнему слою, без переходных отверстий.
2. Вывод GND стабилизатора — короткой дорожкой к ближайшему переходу на нижний слой с землёй.
3. Мелочь: R1 к затвору VT1, R2 и HL1.

Углы — 45° или дуги, без острых углов: так проще травить и меньше споров с производителем (урок 5.3).

Шаг 5. Тепло — медь и переходные отверстия

Помнишь расчёт из урока 11.1.1? 150 мА при 12 В — только если RθJA около 61,6 °C/Вт, а это возможно лишь при заметной площади меди вокруг фланца. Даташит LM1117 показывает, как сильно RθJA зависит от площади меди: от 136 °C/Вт при минимуме меди до 66 °C/Вт при большой площадке.

Что делаем:

1. Полигон на верхнем слое, подключённый к цепи +3V3 (фланец — это OUT!), площадью сколько позволяет плата вокруг DA1: Place›Polygon Pour.
2. Такой же полигон +3V3 на нижнем слое прямо под ним и переходные отверстия между ними: 9–12 штук сеткой примерно через 1,2–1,5 мм. Удобно сделать командой Tools›Via Stitching/Shielding›Add Stitching to Net, выбрав цепь +3V3.
3. Прямое подключение фланца к полигону, без термобарьеров. Термобарьер — это узкие перемычки, которые облегчают пайку, но и тепло пропускают хуже. Сделай отдельное правило Polygon Connect Style с областью действия на площадку фланца DA1 и стилем Direct Connect.
4. Остальной нижний слой — сплошная земля GND (урок 5.6).
5. После любых изменений: Tools›Polygon Pours›Repour All.

⚠️Внимание

Не подключай теплоотводящий полигон к GND «потому что земля большая». Фланец LM1117 электрически соединён с выходом. Полигон GND на фланце — это короткое замыкание выхода на землю, и DRC его не поймает: в схеме так нарисовать нельзя, но на плате полигон можно случайно назначить не на ту цепь. Проверь цепь полигона в панели свойств.

📖Из учебникагл. 6, §6.04, с. 329–332

Хоровиц считает теплоотвод как последовательную цепочку тепловых сопротивлений: кристалл → корпус → прокладка → радиатор → воздух. На печатной плате роль радиатора играет медь, а переходные отверстия — это «тепловые проводники» между слоями. Чем больше площадь и количество отверстий, тем меньше общее тепловое сопротивление.

Шаг 6. Шелкография и финальная проверка

На шелкографии должны быть:

• позиционные обозначения всех деталей, читаемые в одном направлении;
• «+» у танталовых конденсаторов и метка первого вывода у VT1;
• у входа — надпись «5–12V ⎓, центр +» и значок полярности гнезда;
• у выхода — «3V3» и «GND»;
• название и версия платы, например POWER3V3 v1.0, и дата.

Финальная проверка — DRC: Tools›Design Rule Check. Нарушений должно быть ноль. Если какое-то нарушение допустимо, исправь правило, а не игнорируй сообщение (урок 7.7). Потом посмотри плату в 3D (3).

[СКРИНШОТ: плата питания в 3D: гнездо, стабилизатор SOT-223 с медным полигоном, выходной разъём]public/screenshots/m11/l02-power-3d.png

🧯 Типичные ошибки

Стабилизатор перегревается при токе, который по расчёту допустим

Почему Расчёт был для RθJA ≈ 62 °C/Вт, а на плате вокруг фланца почти нет меди, или он подключён через термобарьеры.

Как исправить Большой полигон OUT сверху и снизу, переходные отверстия между ними, прямое подключение фланца.

Выходной конденсатор поставили «где было место» в 15 мм от стабилизатора

Почему Длинная дорожка добавляет индуктивность и сопротивление, LDO может стать неустойчивым.

Как исправить C3 — вплотную к выводу OUT, его земляной вывод — сразу в землю переходным отверстием.

Гнездо J1 не встаёт: мешает крепёжный винт

Почему Не учли запретную зону вокруг отверстия под головку винта.

Как исправить Обведи отверстия зоной запрета (Keepout) по диаметру головки или шайбы и проверь в 3D.

Проверь себя

1. 1. В каком порядке размещать детали силовой цепи?

   По алфавиту позиционных обозначенийВ порядке протекания тока: вход → защита → входные конденсаторы → стабилизатор → выходной конденсатор → выходСначала мелкие, потом крупные
2. 2. К какой цепи подключают теплоотводящий полигон под фланцем LM1117?

   GND+3V3 (OUT)VIN
3. 3. Калькулятор IPC-2221 показал 0,12 мм для 0,5 А. Почему мы берём 0,5–1 мм?

   Калькулятор врётРасчёт даёт минимум по нагреву, а широкая дорожка ещё и уменьшает падение напряжения и прочнее механическиПроизводитель не делает дорожки уже 1 мм
4. 4. Зачем фланец подключают к полигону напрямую, без термобарьеров?

   Чтобы проще было паятьЧтобы не ухудшать отвод теплаЭтого требует DRC

🎯Практическое задание~120 мин

1. Разведи плату по этому уроку: контур 40×30 мм, отверстия M3, правила, размещение по потоку тока, трассировка, полигоны, шелкография.
2. Добейся DRC без нарушений.
3. Сравни площадь своего полигона под DA1 с таблицей RθJA в даташите LM1117 и оцени, какое RθJA реально получилось. Пересчитай допустимый ток при 12 В и, если нужно, поправь ТЗ.