PCB Design on Schallberts Blog

Meine Platinen sind angekommen!

Schallbert — Sat, 16 Oct 2021

Fortsetzung des Artikels PCB Hardware Design

Lieferung

Nach weniger als zwei Wochen sind meine Platinen endlich angekommen. Zusammen mit allen Teilen, die zum Löten benötigt werden. Ich finde, sie sehen wunderschön aus 🙂

Löten: Schritt-für-Schritt

Ich beschloss, die Platine in Abschnitten zu löten, beginnend mit dem Stromversorgungsbereich. Auf diese Weise kann ich die Abschnitte unabhängig voneinander testen und gegebenenfalls Fehler korrigieren. Der SOIC (Small Outline Integrated Circuit)-Umriss kann immer noch leicht von Hand gelötet werden, wenn man viel Flussmittel und eine Lupe für die optische Inspektion verwendet. Das einzige Problem war, dass der IC ein “exponiertes Pad” hat, d.h. es gibt eine Massefläche an der Unterseite des ICs zur besseren Wärmeableitung. Das zu löten war ein Albtraum. Schließlich gelang es mir, durch eine der unteren Durchkontaktierungen zu löten, während ich den Lötkolben fast eine Minute lang an einer anderen Durchkontaktierung hielt, bis es endlich klappte. Mit dem Ergebnis bin ich aber sehr zufrieden. Das System kann durch Ziehen von *HVEN nach Masse aktiviert werden, wodurch die LED aufleuchtet. Die Tests auf Unterspannung/Kurzschluss verliefen sehr gut - der Akku ist jetzt geschützt.

Auch die Vorverstärkersektion war leicht zu löten. Nur die gepolten Kondensatoren erwiesen sich als so groß, dass sie einen großen Teil des Lötpads verdeckten - das ist ein Problem, weil das Lötzinn nicht sowohl Kondensator als auch Pad verbinden wollte, sondern nur an einem der beiden Kontakte hängen blieb. Ich half schließlich mit einem winzigen Stück Brückendraht nach.

Der 9V-Schaltregler-Teil - nun ja… Ich habe es überhaupt nicht geschafft, ihn von Hand zu löten. Quadruple Flat Packs ohne Pins (QFN) sind schon schwer genug zu löten. Aber dieses Teil hier hat auch noch ein freiliegendes Pad auf der Unterseite und ich musste viel Massefläche vorhalten, um die Hitze von diesem Bauteil weg zu bekommen. Also konnte ich nicht einmal die Temperatur für den Lötvorgang hoch genug bekommen. Also habe ich mir eine Heißluftstation geliehen, und nach einigen ängstlichen Versuchen und dem Ertränken der Komponenten in Flussmittel habe ich es schließlich geschafft.

Mit einem Makro-Objektiv auf meiner Kamera habe ich die Lötstellen dann geprüft.

Funktionstest

Ich habe einen Tiefpass und einen Hochpass in das Design eingebaut, um 2-Wege-Lautsprechersysteme zu unterstützen. Um die drei Vorverstärkerausgänge (Fullrange, Tiefpass, Hochpass) zu testen, habe ich den Vorverstärker direkt an meinen Lautsprecher angeschlossen. Das ist keine gute Idee, denn die Impedanz des Lautsprechers ist viel niedriger als die des OP-Verstärkers, so dass die Ausgangsleistung sehr gering ist. Außerdem verbrauchen die unteren Frequenzen die meiste Leistung, so dass der Klang, den man hört, bereits ein “Hochpass” ist und die Lautstärke des Tiefpasses wesentlich geringer ist. Trotzdem funktioniert es, und ich kann die Verstärkung wie vorgesehen einstellen.

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Preamp test

Das war alles, mein Design funktioniert! Da das alles quelloffen ist, steht es jedem frei zum Download auf meinem Github Repo zur Verfügung.

Lektionen

Hier sind die Designfehler, die in Revision2 korrigiert werden sollten:

Alle Komponenten in der gleichen Ausrichtung platziert werden (z.B. horizontal)
“Thermische Entlastungen” (kurze Abschnitte, an denen die Leiterplan einen geringeren Querschnitt aufweist) sollten häufiger verwendet werden, um Lötprobleme aufgrund von zu starker Wärmeleitung zu vermeiden.
Freiliegende Pads: Beim Handlöten müssen die entsprechenden Lötpads zu den Seiten des ICs hin erweitert werden, um die Wärmeleitung des Lots zu verbessern
QFN-Fußabdrücke sind beim Handlöten falls möglich zu vermeiden. Sie sind lästig.
Wenn möglich, keine Bauteile mit “exposed pad” oder “power pad” verwenden. Eine Heißluftstation könnte ansonsten unumgänglich werden.
Schön viel Platz zwischen den Bauteilpads lassen, vor allem bei horizontaler Anordnung.
Da SMD-Kondensatoren mehr Höhe haben, sollten Sie größere Lötpads vorsehen.

Tipps für besseres Hardware Design

Schallbert — Tue, 21 Sep 2021

Motivation

Ich habe meine erste Anfrage für die Fertigung eines AnywhereAmps Alpha. Da ich nicht noch einmal 10h für den Bau aufwenden möchte, habe ich beschlossen, die Zeit in die Beschleunigung des Herstellungsprozesses zu investieren. Ich fand heraus, dass ich etwa eine Stunde pro Verstärker sparen könnte, wenn ich die Platine für mich herstellen lassen würde. Leider hat mich die Umstellung der Platine von manuellem Schneiden, Fräsen, Bohren und Löten auf ein PCB-Design doppelt so viel Zeit gekostet, als wenn ich sie bereits komplett gebaut hätte. Und ich weiß noch nicht einmal, ob das funktioniert. Aber fangen wir von vorne an.

Anforderungen an die neue Leiterplatte

Die Platine soll enthalten

die Vorverstärkerschaltung, wie sie für AnywhereAmps Alpha entworfen wurde
die Zwei-Wege-Weichenschaltung, wie sie für zukünftige AnywhereAmps Beta entwickelt wurde
einen schaltenden Abwärtswandler zur Bereitstellung von 9V DC für Aux-Effekte
eine Stromüberwachungsschaltung, die sowohl Batterie als auch Platine vor Überlastung, Kurzschluss, Unterspannung und Rückspannung schützt

Auf diese Weise möchte ich die Elektronik schrittweise professionalisieren. Ich beabsichtige, die gleiche Platine für alle Varianten der AnywhereAmps zu verwenden. Außerdem würde ich einige externe Komponenten loswerden, die ich von Hand herstellen und platzieren musste: Sicherung, hochstromfähiger Netzschalter, 9V-Regler und seine Kühlung, sowie einige Kabel.

Bauteilauswahl

Abwärtswandler

Ich habe im Internet nach einem Abwärtsschaltwandler mit geringer elektromagnetischer Interferenz (EMI) und einem Ausgang von >1A bei 9V gesucht. Ein Linearregler hätte zwar weniger Störungen ausgesendet, aber bei einer Batterie-Nennspannung von 18V hätte ich im schlimmsten Fall um 9W thermische Verluste in Kauf nehmen müssen. Daher wäre diese Lösung überhaupt nicht batterieschonend gewesen. Ich entschied mich für ein (teures) Design, das alle notwendigen Komponenten in einem Baustein enthält, so dass ich nur noch das PCB-Layout richtig hinbekommen musste, um die EMI zu reduzieren. Ich fügte ein paar Bypass-Kondensatoren und einen Spannungsteiler für den Zielspannungs-Sollwert hinzu. Das war’s! (Dachte ich damals noch. So sah es tatsächlich aus)

Power Supervisor

Der einzige Schutz für meine Verstärker war bisher eine Sicherung, deren Wert auf den höchsten Betriebsstrom eingestellt war, den ich in den Schaltkreisen erwartete. In den frühen Prototypenphasen habe ich einige Operationsverstärker durch versehentliche Verpolung zerstört. Außerdem möchte ich vermeiden, dass der Akku völlig entladen wird, wenn ich vergesse, auf die Ladeanzeigen zu achten. Deshalb habe ich einen Power Supervisor IC ausgewählt, der Über- und Unterspannung und weitere Fehler erkennt und sowohl die Schaltkreise als auch den Akku vor Schäden schützt.

Gruppierung passiver Bauteile

Ich habe gelernt, dass die Herstellung einer Leiterplatte mit vielen verschiedenen Bauteilen teurer und fehleranfälliger ist als bei Verwendung weniger unterschiedlicher Bauteile, auch wenn ihre Gesamtzahl auf diese Weise steigt. Also habe ich viele Werte überarbeitet und die Simulation für den Audio-Vorverstärker mit diesen neuen Werten erneut durchgeführt. Schließlich gelang es mir, die Schaltung von 8/5 auf 3 verschiedene Widerstands- und 3 verschiedene Kondensatorwerte zu reduzieren!

Kondensatoren - mal wieder

Ich habe zunächst MLCC (Multilayer Ceramic Capacitors) in meinem Design verwendet, sowohl für den Bypass als auch für die Audio-Entkopplungskondensatoren. Nach erneuter Lektüre der Dokumente, auf die ich in meinem Beitrag preamp-design-considerations/ hingewiesen hatte, stellte ich fest, dass dieses Kondensator-Design Probleme mit Verzerrungen bei Audiosignalen zu haben scheint. Das Bild unten zeigt einen Vergleich verschiedener Kondensatortypen und -größen. Man erkennt, dass Folienkondensatoren hier am besten und MLCCs am schlechtesten abschneiden. Da ich keine Folienkondensatoren in der von mir benötigten Größe auf SMD-Basis finden konnte und Aluminium-Elektrolytkondensatoren zu groß waren, habe ich gepolte Tantalkondensatoren gewählt. Für die Bypass-Kondensatoren wählte ich low-ESR Typen.

TI Audio Design Journal: Vergleich verschiedener Kondensatortypen ^[1]

Schaltungsentwurf

Ich wählte die Open-Source-Software KiCad als Werkzeug zum Schaltungsentwurf und zeichnete alle meine bestehenden Schaltpläne neu, wobei ich die oben beschriebenen Komponenten hinzufügte. Man erkennt gut, dass der Verstärkerteil nur die rechte Hälfte des Schaltplans füllt, während die linke Hälfte der Stromversorgung und der Überwachungsschaltung gewidmet ist.

Ich habe versucht, die Schaltpläne so übersichtlich wie möglich zu gestalten, damit sie leicht zu lesen sind. Ich habe häufig globale Bezeichnungen verwendet und Steckverbinder zur einfacheren Montage hinzugefügt.

PCB-Design

Dies war der schwierigste Teil für mich. Ich habe noch nie eine Leiterplatte für Audioanwendungen entworfen, also musste ich eine Menge Richtlinien lesen, bevor ich anfing.

Anleitungen und Tutorials

Ich liste einige davon unten zur Information auf:

AnywhereAmps PCB erklärt

Das Ergebnis nach ein einigen Stunden Arbeit:

Die Platine ist in zwei Lagen vollständig geroutet.

Ich habe die Leiterplatte in drei Bereiche unterteilt.

Links: der 9V-Schaltregler, der seinem Referenzdesign (Datenblatt) folgend mit Hilfe der Bypass-Kondensatoren einen Stromkreis um sich selbst bilden und den größten Teil der elektromagnetischen Störaussendung auslöschen würde. Das thermische Design, lässt viel Platz für Kupfer und einige Durchkontaktierungen, sodass die Wärme vom Chip gut abgeführt werden kann.
Mitte: Die Stromanschlüsse und die Überwachungsschaltung. Ich habe Lötbrücken gesetzt, um die Nennspannung der Batterie für die Unterspannungserkennung auszuwählen.
Rechts und oben: Vorverstärker und analoge Signalschaltung, getrennt von der übrigen Elektronik durch eine dicke Massebahn auf der oberen Ebene und eine eigene Massefläche auf der Unterseite. Ich hoffe, das ist genug.

Da ich die ersten Prototypen von Hand löten werde, um zu prüfen, ob alles gut funktioniert, habe ich “große” 0805 SMD-Bauteile verwendet. Ich habe den Abstand zwischen den Bauteilen größer gemacht, als es die PCB-Spezifikation verlangt. Leider waren die hochintegrierten Leistungs-ICs nicht in “Hobby-Löt-Elektronik”-Größen erhältlich, so dass ich hier noch einige Mühen auf mich nehmen muss.

So wird es also aussehen. Die Leiterplatte wird 45mm x 69mm groß sein.

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Alle meine Zeichnungen in CAD sowie Stromlaufpläne sind quelloffen und zum Download auf meinem eigens dafür angelegten Github Repo verfügbar.

Nächste Schritte: Platinen geliefert und verlötet