Hallo, ich möchte mir gern für meine Mikrocontroller-Experimente ein paar USB-UART-Umsetzer mit dem MCP2221(A) und galvanischer Trennung bauen und habe dafür eine Platine entworfen. Da es mein erster zweiseitiger Entwurf ist und zudem auch der erste, den ich (bei JLCPCB) fertigen lassen möchte, würde ich ihn gern hier erstmal vorzeigen und um Hinweise bitten, was ich evtl. besser machen könnte. Die Abmessungen und die mittige Bohrung sind für das Gehäuse https://www.reichelt.de/ch/de/kunststoff-halbschale-123-x-70-x-14-5-mm-sd-10-gr-halb-p149274.html ausgelegt, und die Design Rules unter https://jlcpcb.com/capabilities/pcb-capabilities habe ich, soweit möglich, in KiCad eingestellt; alle DRC-Fehler und -Warnungen sind bereits beseitigt. Zur Schaltung: auf der UART-Seite besteht eine Trennung via 6N137-Optokopplern und nachgeschaltetem Bustreiber 74HC125 vom anzuschließenden Mikrocontroller. Der Grund dafür ist, dass mich bisher oft Masse-Brummschleifen beim Messen mit dem Oszilloskop gestört haben, die ja entstehen, wenn die untersuchte Schaltung sowohl durch den über USB angeschlossenen PC als auch durch das Oszi geerdet wird. Die Schaltung (außer dem Bustreiber) habe ich bereits auf einer selbstgeätzten einseitigen Platine aufgebaut und erfolgreich verwendet. Der 74HC125 ist nun noch hinzugekommen, damit ich RxD und TxD des ausgangsseitigen UARTs für UDPI direkt verbinden kann (deshalb auch R9). Unsicher bin ich mir insbesondere noch, ob die GND-Verbindungen an den ICs so in Ordnung sind, oder ob man da noch mehr Vias zur unterseitigen Massefläche macht. Mir fehlt da halt noch die Erfahrung. Den Schirm der USB-Buchse habe ich nicht mit GND verbunden, weil ja Kabelschirmungen nur an einem Ende geerdet werden und das vermutlich bereits an der PC-Seite passiert. Bei einer Internetrecherche dazu hatte ich allerdings widersprüchliche Aussagen gelesen, die mich wieder verunsichern, ob das so korrekt ist. Vielen Dank schonmal für alle konstruktiven Kritiken und Tipps. Grüße und einen schönen Sonntag
Na die mittlere Bohrung ist schonmal völlige Kacke! Gruss Chregu
ESD-Schutz für D+/D- vom USB nicht auffindbar. Schau dir mal das Datenblatt vom MCP2221 an, die nRST - Beschaltung ist fragwürdig.
Bradward B. schrieb: > ESD-Schutz für D+/D- vom USB nicht auffindbar. Hat der MCP2221 schon drinnen.
Bradward B. schrieb: > ESD-Schutz für D+/D- vom USB nicht auffindbar. > Schau dir mal das Datenblatt vom MCP2221 an, die nRST - Beschaltung ist > fragwürdig. siehe https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/03-10241-R4.PDF und https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/03-10437-R1.PDF
Christian M. schrieb: > Na die mittlere Bohrung ist schonmal völlige Kacke! Oh natürlich, wie peinlich ... Stephan S. schrieb: > die nRST - Beschaltung ist >> fragwürdig. > > siehe https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/03-10241-R4.PDF > und https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/03-10437-R1.PDF OK, danke, also 10k von ¬RST nach VDD. Verbesserte Dateien kommen gleich …
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Hier die verbesserte Version. Weiß gar nicht mehr genau, woher ich die 4n7 von Reset nach GND hatte. Ich glaube aus irgendeinem Thread hier im Forum. Im Datenblatt steht dazu leider nichts, nur dass es intern schon einen Pull-up gibt, der aber vermutlich recht hochohmig ist.
Gustl B. schrieb: > Bradward B. schrieb: >> ESD-Schutz für D+/D- vom USB nicht auffindbar. > > Hat der MCP2221 schon drinnen. Ah, habs übersehen, da nur allgemein und nicht speziell für D+/D-. Allerdings steht da pauschal > 4 kV, wenn ich mich recht erinnere wird inzwischen mit höheren Spannungen geprüft: https://en.wikipedia.org/wiki/IEC_61000-4-2 Für pingelige Kunden würde ich den footprint für TVS-Dioden vorsehen, kann man auch unbestückt lassen. > Forum. Im Datenblatt steht dazu leider nichts, nur dass es intern schon > einen Pull-up gibt, der aber vermutlich recht hochohmig ist. Doch, da steht im Datenblatt was, wenn man den Power-On_reset nutzen will, man einen Widerstand von ein paar k zu VDD einsetzen soll. Seite 21: "To take advantage of the POR circuitry, tie the RST pin to VDD through a resistor (1-10 k). This will eliminate external RC components usually needed to create a POR delay"
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Beitrag #7698062 wurde vom Autor gelöscht.
Bradward B. schrieb: > Für pingelige Kunden würde ich den footprint für TVS-Dioden vorsehen, > kann man auch unbestückt lassen. Hmm, ich nehme an, die folgende würde den Zweck erfüllen? https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/IP4220CZ6.pdf Bradward B. schrieb: > Doch, da steht im Datenblatt was, wenn man den Power-On_reset nutzen > will, man einen Widerstand von ein paar k zu VDD einsetzen soll. > > Seite 21: Ja stimmt, hatte ich übersehen. Danke.
Ist USB-B noch zeitgemäß? Nicht vielleicht lieber USB-C?
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Für die galvanische Trennung nehme ich immer solche Isolatorbausteine. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adum1200_1201.pdf Gibts von verschiedenen Herstellern. ESD-Schutz: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/06/1d/48/9c/6c/20/4a/b2/CD00050750.pdf/files/CD00050750.pdf/jcr:content/translations/en.CD00050750.pdf als Vorschlag. fchk
Niklas G. schrieb: > Ist USB-B noch zeitgemäß? Nicht vielleicht lieber USB-C? USB-B ist ohne Gehäuse blöd, weil die Steckkräfte ziemlich hoch sind und dir die Leiterplatte verbiegen. Ich habe das genau einmal und dann nie wieder verwendet. Ob USB Micro oder USB-C ist dagegen für die angestrebte Nutzung ziemlich egal, ersteres gibt es auch als THT. Grüße Max
Niklas G. schrieb: > Ist USB-B noch zeitgemäß? Nicht vielleicht lieber USB-C? Naja, USB-C ist mir da ein bißchen zu miniaturisiert mit den 12 Pins auf engstem Raum, weiß nicht ob ich das richtig verlöten kann. Dann müsste ich mir noch Gedanken um USB 2 vs. 3 machen, und wie man dann die ganzen übrigen Leitungen zu beschalten hat ... Habe mich damit noch nicht näher beschäftigt. Frank K. schrieb: > Für die galvanische Trennung nehme ich immer solche Isolatorbausteine. > https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adum1200_1201.pdf Danke für den Tipp, habe ich mir mal angesehen, merke ich mir für eine evtl. nächste Version. Momentan habe ich aber noch einige 6N137 auf Lager, die ich erstmal verbauen möchte. Für den UART mit max. 460,8 kBaud tun die’s ja auch. P.S.: Was ist eigentlich der Unterschied zwischen den Versionen mit und ohne Suffix "-RL7"? In der Tabelle "Ordering Guide" im Datenblatt sind keine Unterschiede, auch anderswo konnte ich nichts dazu finden. Frank K. schrieb: > ESD-Schutz: > https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/06/1d/48/9c/6c/20/4a/b2/CD00050750.pdf/files/CD00050750.pdf/jcr:content/translations/en.CD00050750.pdf Nochmal danke für den Link. Werde ich ebenfalls bei einer nächsten Version einplanen; ich denke dass ich aber fürs erste die ESD-Dioden weglassen werde, da ja der MCP2221(A) bereits welche eingebaut hat, wenn auch „schwächer“. Da muss ich mich erstmal mit den Layout-Anforderungen befassen, und ich möchte die Platinen gern zeitnah in Auftrag geben. Max G. schrieb: > USB-B ist ohne Gehäuse blöd, weil die Steckkräfte ziemlich hoch sind und > dir die Leiterplatte verbiegen. Damit hatte ich bei mir bisher keine Probleme, hast du evtl. FR2/Hartpapier? FR4/Epoxyd ist ja eigentlich recht stabil. Ich persönlich finde die „normalen“ USB-B-Verbinder (also weder „mini“ noch „micro“) mechanisch und haptisch robuster und „schöner“, wenn genug Platz da ist. Micro-B finde ich irgendwie immer „fummelig“ und mechanisch fragiler.
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Gustl B. schrieb: > Hat der MCP2221 schon drinnen. Schadet aber nichts, den auszubauen, weil die ESD Dioden nicht viel abkönnen. Ein bissl GND.lift und sie braten weg. So ist das keine sicher Schaltung. Was die OPTOs angeht: vor den Eingang und gfs nach dem Ausgang zum Verstärker noch eine Kapazität und das steilflankiger zu machen. Du kannst die gesamte Isolationsbarriere auch gänzlich mit einem hochvolt-Kondensator überbrücken, wenn du es hinten richtig einleitest - dann wird das auch schnell. USB-UARTs arbeiten heute auf über 10 MHz, wenn das Kabel es kann.
Die Stromstärken an den 74HC125 zum Optokoppler könnte man noch nachrechnen. Beim 74HC125 gibt es mehrere Hersteller, auf die schnelle habe ich einen gefunden, der nur für 4 mA sink/source spezifiziert ist, der Optokoppler mag aber typisch 10 mA. Maximale Baudrate über die Optokoppler/Treiber kann ich jetzt nicht abschätzen, die maximal 115200 /s des MPS2221 könnten aber möglich sein.
H. W. schrieb: > Ein bissl GND.lift und sie braten weg. Was durch die Potentialtrennung weitgehend ausgeschlossen ist. Ich habe eine Frage zu dem Verpolungsschutz (Diode/Sicherung). Funktioniert das? Ich dachte bislang dass so eine Schmelzsicherung dafür viel zu träge sei.
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Dirk F. schrieb: > Der hier verlinkte von Nexperia kann 35 mA: Sind wohl die Max rating, operating, also Normalbetrieb liegt wohl drunter. Man kann natürlich auch einwerfen, das über den UART nur kurze Telegramme geschickt werden und somit der Optokoppler kaum aktiv ist. Dabei sollte man schauen das der Ruhepegel (idle, kein Senden) auch so liegt, das die LED des Optokopplers nicht aktiv ist, und daher kaum Strom fliesst wenn kein Telegramm übermittelt wird.
Bradward B. schrieb: > Die Stromstärken an den 74HC125 zum Optokoppler könnte man noch > nachrechnen. > Beim 74HC125 gibt es mehrere Hersteller, auf die schnelle habe ich einen > gefunden, der nur für 4 mA sink/source spezifiziert ist, der Optokoppler > mag aber typisch 10 mA. > > Maximale Baudrate über die Optokoppler/Treiber kann ich jetzt nicht > abschätzen, die maximal 115200 /s des MPS2221 könnten aber möglich sein. Die bessere Lösung wäre ein 74LVC2G125. Der kann +-24mA, und mit nur zwei Gattern ist er auch kleiner. https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74LVC2G125.pdf fchk
Johannes T. F. schrieb: > (...) würde ich ihn gern hier erstmal vorzeigen und um Hinweise > bitten, was ich evtl. besser machen könnte. (...) > Vielen Dank schonmal für alle konstruktiven Kritiken und Tipps. Ich habe nicht viel Zeit und auch nicht die Absicht, hier alles, was man verbessern könnte, aufzuzählen, da mir klar ist, dass man am Anfang nicht alles wissen kann, aber zwei Sachen gebe ich Dir gerne kostenlos mit auf den Weg: 1) Die Montagebohrung – oder was auch immer das sein soll – hat da (auch in der korrigierten, isolierten Version) mitten in der Sperrfläche der galvanischen Trennung normalerweise nichts zu suchen; falls man dort eine Bohrung braucht, muss man es räumlich anders anordnen und lösen, alternativ könnte man jeweils diagonal auf beiden Seiten eine zusätzliche Montagebohrung machen – die selbstdefinierte Sperrfläche sollte aber auf jeden Fall für irgendwelche Schrauben Tabu bleiben. 2) Wenn man schon zweiseitige Platinen nutzt, sollte man die Massepolygone am besten auch beidseitig machen, um eine Platine mit möglichst niedriger Impedanz zu erhalten; beide Seiten sollte man dann entsprechend mit sehr vielen Microvias verbinden, damit diese Eigenschaft überhaupt entstehen kann, sonst verpufft dieser schöne Effekt/Vorteil und es können dabei sogar auch kontraproduktive Strompfade entstehen. Im Anhang ein paar Fotos aus einem meiner Entwürfe, um sich das Erwähnte mit den Massen und Vias etwas genauer anschauen zu können. Es geht hierbei aber auch noch um etwas anderes, nämlich um das Kupferbalancing – das Kupfer sollte auf beiden Seiten möglichst gleich verteilt sein, damit sich die Leiterplatte beim Erhitzen nicht verbiegen kann, was teilweise dann nicht mehr reversibel wird und z.B. auch mal angelötete BGAs killen kann (Link mit kurzer Info dazu hier: https://www.multi-circuit-boards.eu/leiterplatten-design-hilfe/kupfer-balance.html)
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Monk schrieb: > Verpolungsschutz (Diode/Sicherung). > Funktioniert das? Gute Frage ... Habe es bisher selbst noch nicht ausprobiert, wird aber hier irgendwo in einem Wiki-Artikel vorgeschlagen. Bradward B. schrieb: > Dabei sollte man schauen das der Ruhepegel (idle, kein Senden) auch so > liegt, das die LED des Optokopplers nicht aktiv ist, Das habe ich beachtet; die 6N137 geben ohne LED-Strom Highpegel ab, und die LEDs sind von den Ausgängen gegen VCC geschaltet, daher passt das. Frank K. schrieb: > Die bessere Lösung wäre ein 74LVC2G125. Der kann +-24mA, und mit nur > zwei Gattern ist er auch kleiner. Gut, danke für den Tipp! Gregor J. schrieb: > aber zwei Sachen gebe ich Dir gerne kostenlos mit auf den Weg: [...] Danke sehr für deine ausführlichen Erläuterungen; ich werde das Board jetzt doch noch nicht herstellen lassen, sondern erstmal das Design gemäß den Hinweisen überarbeiten. Es soll ja "ordentlich" werden. Bin diese Woche im Urlaub, kann dann ab Samstagabend wieder weitermachen.
Habe mir nicht alles haarklein durchgelesen, daher kann es sein, dass Punkte dieser Liste schon genannt wurden: - Sicherungen finde ich übertrieben, USB-seitig ist man eigentlich schon sicher. Aus der anderen Seite wäre vlt. auch eine Polyfuse wie z.B. Reichelt PTC FSMD0200805 okay. - Würde anstelle der 6N137 auch einen „digital isolator“ wie von Frank vorgeschlagen bevorzugen. Gibt es mit identischen Pinning von x Herstellern (auch Würth) - USB-C gibt es mittlerweile als gut zu lötende 16-Pin Variante. Siehe https://www.we-online.com/en/components/products/WR-COM_USB_20_TYPE_C_RECEPTACLE_HORIZONTAL_SMT#629722000214 Zahlreiche kompatible Typen bei LCSC, z.T. unter 10ct. Ansonsten, in der Tat, die 24Pin Varianten sind z.T. gruselig in Layout und manueller Verarbeitung. - Ich persönlich würde einen DCDC vorsehen, USB-Versorgung ist ja immer da und man spart sich die Fremdversorgung auf der anderen Seite. Ein schöner Kandidat dafür ist der MIE1W0505BGLVH (siehe https://www.monolithicpower.com/en/products/isolation/mie1w0505bglvh.html). Das Schöne daran ist, dass man den zwischen 3.3 und 5V umschalten kann, im Gegensatz zu vielen anderen Dingern ist der Ausgang geregelt. Der ist noch etwas schwierig zu bekommen, wobei MPS den auf der eigenen Webseite bereits verfügbar führt. Vom Layout her könnte man den vorsehen. - LEDs: ich persönlich würde SMD-LEDs mit Lichtleiter im Gehäuse nehmen, aber das ist natürlich Geschmackssache. Die C110402 von LCSC ist bei wenigen mA grandios hell und kostet als RGB 8ct. Nehme die mittlerweile auch dann, wenn ich jeweils nur 1 Farbe benötige, dann hat man nur 1 Typ in der BOM (für 7 mögliche Grundfarben). Lichtleiter brauchbar, 2 Wochen Lieferzeit: https://de.aliexpress.com/item/4001195295958.html
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Hallo Harald, danke dir für die Hinweise. Harald A. schrieb: > Sicherungen finde ich übertrieben, USB-seitig ist man eigentlich schon > sicher. Hmm, ich habe da immer Angst, dass das USB-Port des PCs durch einen (ja, vermutlich sehr unwahrscheinlichen) Kurzschluss beschädigt werden könnte. Ich glaube, Atmel/Microchip baut auf den Evaluating Boards auch Sicherungen ein. Fühle mich damit einfach besser. ;-) Harald A. schrieb: > Würde anstelle der 6N137 auch einen „digital isolator“ wie von Frank > vorgeschlagen bevorzugen. Weißt du, was die etwas günstigeren Typen mit dem Suffix "-RL7" von den anderen unterscheidet? Konnte im Datenblatt nichts dazu finden. Grüße
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Johannes T. F. schrieb: > Weißt du, was die etwas günstigeren Typen mit dem Suffix "-RL7" von den > anderen unterscheidet? Konnte im Datenblatt nichts dazu finden. Verpackungsform "7 inch reel" vom Hersteller. Der Chip selber ist der gleiche. Man kann auch Trays kaufen, und oft auch 12 inch reels. fchk
Johannes T. F. schrieb: > Hmm, ich habe da immer Angst, dass das USB-Port des PCs durch einen (ja, > vermutlich sehr unwahrscheinlichen) Kurzschluss beschädigt werden > könnte. Ich glaube, Atmel/Microchip baut auf den Evaluating Boards auch > Sicherungen ein. Fühle mich damit einfach besser. ;-) Dein Gefühl täuscht Dich nicht – eine Sicherung an der Stelle ist eine gute Idee. Über den Nennwert und Art so einer Sicherung kann man sich bestimmt lange unterhalten oder sogar darüber streiten, ich verwende jedenfalls bei meiner USB-UART-Brücke (Foto im Anhang) aus Kompromissgründen eine flinke 750mA Sicherung, weil jede Sicherung auch einen Widerstandswert darstellt und ich etwas mehr Strom ziehen möchte ohne dadurch größere Nachteile zu haben. Die Dimensionierung einer Sicherung sollte an die Schaltung angepasst sein – eine zu 'kleine' kann z.B. schon durch den Einschaltstrom auslösen, wenn mehr Kapazität auf der VCC-Schiene vorhanden ist, eine zu 'große' schützt unter Umständen nicht mehr oder nicht mehr rechtzeitig oder nicht richtig. Wie auch immer – eine vorhandene Sicherung wird Dir eines Tages 'das Leben retten' und Du wirst froh sein, dass sie vorhanden war. Ich verwende übrigens auch die USB-Typ-B-Buchse, weil sie sich nach vielen Jahren für mein Empfinden als die robusteste erwiesen hat. Sie wird (oder wurde) auch in vielen Evaluationsplatinen und diversen Programmern verwendet – z.B. STM8, Arduino, AVRISP-MK2 usw.
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Was sollen Optokoppler ? Die sind nur schnell mit viel Strom und degraden. Nimm Magnetkoppler, zB ADuM1301 oder degleichen. Der USB treibt auch gleich die eine Seite des Kopplers, so faellt der DCDC weg.
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Ich habe nun Schaltung und Layout gemäß den Hinweisen verbessert; dabei habe ich versucht, das meiste zu berücksichtigen. Lediglich einen DC-DC-Konverter habe ich nicht eingebaut, da ich diesen nicht benötige (habe immer ein Netzgerät auf dem Schreibtisch stehen) und es glaube ich auch nicht USB-Standard-konform wäre (der DC-DC müsste ja im Suspend-Modus abgeschaltet werden und das wäre wieder stark erhöhter Aufwand). Ist insbesondere das Layout rund um den USBLC6-2 (ESD-Schutz-IC) so in Ordnung? In dessen Datenblatt sind ja GND und VCC durch die Füßchen des SOT-23-6 durchgeführt, was aber sehr dünne Leiterbahnen erfordern würde. Deshalb habe ich das nicht gemacht. Eine weitere Frage ist mir eben aufgekommen, die eine Google-Suche nicht zufriedenstellend beantworten konnte: Ist es bei JLCPCB zulässig, Silkscreen auf Tented Vias aufzubringen? Ich habe es zwar vermieden, unter das Textfeld rechts unten habe ich aber dennoch Vias gesetzt. Falls das zu Problemen führt, müsste ich die wieder wegnehmen.
Johannes T. F. schrieb: > Ist insbesondere das Layout rund um den USBLC6-2 (ESD-Schutz-IC) so in > Ordnung? In dessen Datenblatt sind ja GND und VCC durch die Füßchen des > SOT-23-6 durchgeführt, was aber sehr dünne Leiterbahnen erfordern würde. > Deshalb habe ich das nicht gemacht. Das Layout des ICs ist bei so einer Schaltung unkritisch, ich würde lieber die Leiterbahnen bei F1, F2, D5, J6 usw. – also dort, wo relativ große Lötaugen sind – etwas dicker gestalten. Dabei geht es nicht so sehr um Stromstärken, da hier kaum was fließen wird, sondern um Kupferbrüche, die bei Ausdehnung durch Hitze (z.B. schon beim Löten) und mechanischer Belastung entstehen könnten, wenn eine ganz dünne Leiterbahn an einer relativ großen Fläche ohne spezielle, kurze Stege (stetige Verbreiterung kurz vor der Fläche als z.B. kleines Dreieck) angeschlossen wird. ___ > Eine weitere Frage ist mir eben aufgekommen, die eine Google-Suche nicht > zufriedenstellend beantworten konnte: Ist es bei JLCPCB zulässig, > Silkscreen auf Tented Vias aufzubringen? Ich habe es zwar vermieden, > unter das Textfeld rechts unten habe ich aber dennoch Vias gesetzt. > Falls das zu Problemen führt, müsste ich die wieder wegnehmen. Zulässig JA, sieht aber später nicht so toll aus, wenn „Silkscreen” mit Bohrungen durchlöchert wird, es geht dabei also nur um Optik und Ästhetik – die Vias, die exakt auf den Linien und Buchstaben sich befinden, muss man aber nicht entfernen, sondern man kann sie einfach nur um einen Millimeter verschieben, damit sich die Mikrobohrungen nicht exakt auf der weißen Fläche befinden. Da ist übrigens so viel Platz und Raum vorhanden, dass man das ohne Probleme entsprechend gestalten kann.
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Alles soweit in Ordnung, allerdings kam mir der Gedanke, ob Du angesichts der „riesigen“ Sicherungen den Digital Isolator nicht auch als DIP ausführen möchtest. Schließlich ist der ja relativ ungeschützt an der Testschaltung und einen gesockelten DIP könnte man schnell tauschen.
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