Aprendizaje para diseñar circuito reductor LDO, no estoy seguro si el diseño es correcto y confiable, espero orientación de los expertos

Diseño de circuito LDO basado en el chip 1117

Idea principal

  • Utilizar un conector Type-C de 16 pines como puerto de entrada, dejando las líneas de señal (aparte de los cables de alimentación) expuestas mediante pines para usos futuros
  • Las líneas de alimentación pasan primero por un diodo TVS para protección contra electrostática y condensadores de filtrado antes de conectarse a la entrada del 1117
  • A la salida del 1117 se utiliza un condensador de tántalo de 22 μF para filtrado, junto con un LED en paralelo como indicador de funcionamiento
  • El extremo de salida se expone también mediante pines

Dudas

  • Los cables del Type-C parecen muy desordenados. ¿Es correcto y normal dibujar así el esquema?
  • Al sacar las seis líneas de señal del Type-C mediante pines, ¿existe un orden específico que deba seguirse? Las he dispuesto aleatoriamente
  • ¿Es adecuada la selección del TVS? ¿Cumple correctamente con los requisitos?
  • ¿Puede el condensador de tántalo sustituirse por otra solución? ¿Sería mejor usar MLCC + una pequeña resistencia o MLCC + un condensador electrolítico de aluminio?

  1. Los pines DP1, DP2 y DN1, DN2 de la interfaz Type-C deben cortocircuitarse por separado, ya que el conector Type-C permite inserción en ambas orientaciones, por lo tanto hay un par DP y DN en ambos lados de los contactos; al conectarlos en corto, permite su uso sin problemas independientemente de la orientación. Además, en el diseño del PCB, las líneas DP y DN deben trazarse como pares diferenciales.
  2. Es suficiente usar etiquetas de red, no es necesario añadir símbolos adicionales de entrada/salida.
  3. El orden de los pines del conector puede definirse según las necesidades propias, no hay requisitos estrictos.
  4. La selección del TVS es correcta, no hay problema.
  5. El filtro de salida del LDO puede usar directamente un condensador cerámico multicanal (MLCC), aunque algunos modelos antiguos del 1117 pueden presentar inestabilidad en el lazo interno cuando se usa MLCC, provocando oscilación en la salida; sin embargo, esta situación ya no suele ocurrir con los modelos nuevos 1117 fabricados localmente.

Es raro encontrar preguntas tan detalladas, con una línea de pensamiento clara, imágenes y puntos de duda bien explicados. ¡Una pregunta estándar! :+1:

Lo peor es cuando ni siquiera pueden describir bien su problema y tienes que estar preguntándoles una y otra vez para entender finalmente qué es lo que quieren saber :joy:

¡Hola! Como principiante, tu diagrama es excelente. La lógica general es clara: has configurado correctamente la resistencia pull-down en el pin CC del conector Type-C (U1 y U3 con 5,1 kΩ), incluido completamente los capacitores de entrada y salida del LDO e incluso considerado la protección con TVS. Esto ya supera el nivel de muchos principiantes.

Respecto a tus dudas, voy a responder punto por punto y ofrecer algunas sugerencias desde el punto de vista práctico de ingeniería:

1. ¿El cableado del conector Type-C parece desordenado? ¿Es correcta esta forma de dibujarlo?

Tu método actual es eléctricamente correcto, pero desde el punto de vista de “legibilidad” y “estética” del diagrama sí puede mejorarse.

  • Sugerencia de mejora: En diseño profesional, para evitar el caos visual causado por los cruces de líneas, solemos usar etiquetas de red (Net Label). Puedes extender un pequeño segmento desde las líneas del conector USB, añadirle una etiqueta de red (por ejemplo, nombrarlas DP1, DN1) y luego hacer lo mismo junto al conector de encabalgadura H1 con la misma etiqueta. El software entenderá que están conectados, logrando un esquema mucho más limpio.

2. Problema del orden de las señales en el conector de encabalgadura

Desde un punto de vista puramente conductor, cualquier disposición funciona. Pero considerando la integridad de la señal y la comodidad futura, se recomienda seguir estos principios:

  • Error clave: ¡Falta GND! Tu conector H1 solo tiene líneas de señal, sin conexión a tierra. Toda señal necesita un camino de retorno. Si no incluyes GND, al conectar estas señales con cables Dupont a otra placa, podrías tener fallos de comunicación o incluso dañar equipos debido a diferencias de potencial. Asegúrate de añadir al menos un pin GND en H1.
  • Combinación y orden de señales: Para comunicaciones USB 2.0 estándar, el conector Type-C tiene dos pares de D+/D- internamente para permitir inserción en ambas orientaciones. Cerca del conector, normalmente cortocircuitamos DP1 con DP2 y DN1 con DN2. Así solo necesitas sacar un par DP/DN.
  • Orden recomendado: GND, SBU1, SBU2, DP, DN. Colocar las señales diferenciales (DP y DN) juntas facilitará conexiones posteriores.

3. ¿Es adecuado el TVS seleccionado (SMBJ6.5CA)?

Una elección muy segura y funcional, aunque puede optimizarse ligeramente.

  • Análisis de parámetros: El voltaje normal de VBUS en USB es 5V. El voltaje de trabajo inverso (Vrwm) del SMBJ6.5CA es 6,5V; esto evita fugas durante funcionamiento normal a 5V y protege eficazmente contra picos de sobretensión. Los parámetros son precisos.
  • Sugerencias de optimización:
    1. El sufijo CA indica que es un TVS bidireccional. Para líneas de alimentación DC (como VCC_5V), es mejor usar un TVS unidireccional (sufijo A, como SMBJ6.5A), ya que ofrece un mejor efecto de limitación contra picos negativos.
    2. Tamaño del encapsulado: El formato SMB es algo grande para una simple placa reguladora con LDO. Si buscas miniaturización, puedes usar SMAJ6.5A (encapsulado SMA) o incluso un protector ESD más pequeño en encapsulado SOD-323. Claro, si ya tienes disponible el SMBJ6.5CA, usarlo directamente no tiene ningún problema.

4. Alternativas al condensador de tántalo (¡el “problema” del chip 1117!)

Aquí mencionas un tema muy profesional y fundamental. Los chips de la serie 1117 tienen requisitos estrictos sobre la ESR (resistencia serie equivalente) del condensador de salida.

  • El 1117 pertenece a una arquitectura LDO bipolar antigua que depende de que el condensador de salida tenga cierta ESR (normalmente entre 0,1Ω y 10Ω) para mantener estable el bucle interno.
  • Si usas solo MLCC (condensadores cerámicos): Su ESR es extremadamente baja (unos pocos mΩ), lo que puede hacer que el 1117 oscile, produciendo no una tensión continua estable de 3,3V, sino una señal con rizado de alta frecuencia.
  • Alternativas recomendadas:
    • Opción A (la más recomendada, mejor relación costo-beneficio): Un condensador cerámico de 100nF en paralelo + un electrolítico de 10μF (o 22μF). Los electrolíticos tienen naturalmente una ESR adecuada que cumple con el requisito anti-oscilación del 1117; además, el cerámico de 100nF filtra ruido de alta frecuencia. Esta es la solución más común, económica y fiable en proyectos reales.
    • Opción B (menor tamaño): Un MLCC de 22μF en serie con una pequeña resistencia (por ejemplo, 0,5Ω o 1Ω). Simula artificialmente la ESR requerida. Es viable, pero añade componentes extra, siendo menos simple que la Opción A.
  • Conclusión: Usar condensadores de tántalo como ahora es perfectamente válido (su ESR es ideal), pero son caros y pueden incendiarse ante sobretensiones. Se recomienda sustituirlos por la combinación MLCC + electrolítico.

Un último detalle adicional:

La resistencia limitadora R4 (1kΩ) del LED indicador: (3,3V - caída típica del LED ≈ 2V) / 1kΩ ≈ 1,3mA. Esta corriente podría hacer que un LED SMD común luzca un poco tenue. Si deseas mayor brillo, puedes cambiar R4 a 470Ω o 510Ω (corriente aproximada de 2,5mA a 3mA).

¡Este es un primer intento muy sólido de un circuito reductor LDO! Has comprendido con éxito los conceptos fundamentales: negociar 5 V desde un puerto Type-C usando resistencias CC, agregar protección de entrada, filtrado y un indicador de salida. Eléctricamente, este circuito entregará correctamente 3.3 V.

A continuación, se desglosan tus preguntas y algunos consejos profesionales para mejorar tu diseño esquemático.

1. Dibujo del esquema y estándar de conexión Type-C

Tu esquema es completamente legible, pero hay algunas convenciones estándar que puedes aplicar para hacerlo más limpio y profesional:

  • Designadores de componentes: Usaste U1 y U3 para tus resistencias CC de 5,1 kΩ. En los estándares esquemáticos, U se reserva para circuitos integrados (como tu 1117 y el TVS). Las resistencias siempre deben usar R (por ejemplo, R1, R2).
  • Etiquetas de red frente a conexiones físicas: Aunque dibujar cables verdes explícitos está bien en un circuito simple, cruzarlos entre sí (como tus líneas DP/DN y SBU) puede volverse confuso. En diseño profesional, usamos etiquetas de red (nombrar un tramo de cable como “DP1” y nombrar el extremo receptor también como “DP1”) para conectarlos de forma invisible sin necesidad de trazar una línea por toda la página.
  • Flujo visual: La práctica estándar es colocar las entradas a la izquierda, la conversión principal de potencia o procesamiento en el centro, y las salidas a la derecha. Has seguido mayormente esta regla, ¡lo cual es excelente!

2. Orden de pines del conector de señales (H1)

Si solo estás sacando estas señales a un conector para usar cables puente, el orden físico no importa estrictamente. Sin embargo, si planeas usarlo para datos, existen buenas prácticas:

  • Agrupar pares diferenciales: USB 2.0 depende de pares diferenciales (DP y DN). Deben colocarse uno al lado del otro. Un orden mejor sería: DP1, DN1, DP2, DN2, SBU1, SBU2.
  • La trampa del “giro” de USB 2.0: Type-C es reversible. Si conectas el cable derecho, los datos viajan por DP1/DN1. Si lo giras al revés, viajan por DP2/DN2. Si deseas usar esto posteriormente para una conexión de datos USB 2.0 independientemente de la orientación del cable, deberías cortocircuitar DP1 con DP2 y DN1 con DN2 directamente en el conector, y llevar solo un par (DP/DN) hacia tu conector.

3. Selección del diodo TVS (SMBJ6.5CA)

Tu elección del SMBJ6.5CA es segura y funcionará, pero puede optimizarse ligeramente.

  • Tensión nominal: El “6.5” indica una tensión de bloqueo (standoff) de 6.5 V. Esto es perfecto para una línea USB de 5 V, ya que no se activará accidentalmente durante el funcionamiento normal, pero limitará picos de voltaje antes de que alcancen el valor máximo absoluto de 15 V del 1117.
  • Direccionalidad (CA vs A): El sufijo “CA” significa que es bidireccional. Dado que tu VBUS USB es una fuente de continua estrictamente positiva, un TVS unidireccional (SMBJ6.5A) es en realidad preferible. Un TVS unidireccional ofrece mejor protección contra transitorios de voltaje negativos (limitándolos a -0.7 V inofensivos), mientras que uno bidireccional permitiría que un pico negativo alcance aproximadamente -11 V antes de actuar.

4. Condensador de salida y la “trampa del ESR del 1117”

Has descubierto la peculiaridad más famosa del diseño de PCB: el requisito de estabilidad del regulador 1117.

Las arquitecturas antiguas de LDO como el 1117 requieren que su condensador de salida tenga una cantidad específica de Resistencia Serie Equivalente (ESR), generalmente entre 0,3 Ω y 22 Ω, para mantener la estabilidad del lazo de control.

  • Tu elección actual (tántalo): Los condensadores de tántalo caen naturalmente dentro del rango de ESR requerido. Por eso son la combinación clásica y correcta para un 1117.
  • Alternativa 1: MLCC + resistencia pequeña: ¡Sí, esta es una excelente y común alternativa! Los condensadores cerámicos puros (MLCC) tienen prácticamente ESR cero, lo que hace que el 1117 oscile y entregue un voltaje ruidoso e inestable. Si deseas usar un MLCC económico de 10 μF o 22 μF, colocar una resistencia de 0,5 Ω a 1 Ω en serie con él imita perfectamente un condensador de tántalo.
  • Alternativa 2: MLCC + electrolítico de aluminio: Esto también funciona. El electrolítico proporciona el ESR necesario, mientras que el MLCC maneja el ruido de alta frecuencia.

Consejo profesional: Si deseas evitar por completo el problema del ESR, simplemente sustituye el 1117 por un LDO moderno “estable con cerámicos” (como el AP2112 o RT9013). Están diseñados para funcionar perfectamente con MLCCs estándar sin necesidad de resistencias adicionales.

Si los requisitos de corriente no son altos, se puede elegir el LDO XC6206P332.

Vaya, así que se necesitan cuatro pines para formar un par diferencial, pensaba que con dos pines era suficiente :joy: Veo que todavía me falta mucho por aprender

Es así solo con la interfaz Type-C, porque el Type-C permite conectarlo al derecho y al revés, y los contactos superiores e inferiores son los mismos pines, por lo tanto, al sacarlos deben conectarse juntos.

He ajustado el esquemático según las sugerencias. No sé si he entendido bien su segundo punto, ¿podría ayudarme a revisarlo? Además, también hice la PCB y siento que quizás las líneas diferenciales no quedaron del todo bien.



  1. El TVS debe colocarse cerca del conector, y la ruta de la señal debe pasar por el TVS antes de llegar a otros componentes; de lo contrario, no cumplirá su función.
  2. Sería recomendable agregar también un diodo ESD en las líneas de datos DP y DN, aunque en realidad la mayoría de los chips actuales ya incluyen protección ESD interna.
  3. Las pistas USB deben tener una impedancia característica de 90 Ω y deben ser de longitudes iguales (aunque en modo baja velocidad no es tan crítico).
  4. Puedes visitar la plataforma de proyectos abiertos de LCSC para ver diseños de otros usuarios y aprender de ellos.
  5. La red de alimentación puede conectarse directamente mediante relleno de cobre personalizado.
  6. El TVS puede cambiarse por otro modelo con una encapsulación más pequeña.

Puedes consultar este documento de LCSC, donde se explica cómo realizar el enrutamiento correcto para interfaces USB, incluyendo diagramas: https://wiki.lceda.cn/zh-hans/design-production/pcb-design/moduler-design/usb-interface.html

Lo pensé un poco… Si esas dos pares diferenciales deben cortocircuitarse, sería necesario hacer perforaciones o dar una gran vuelta con cada uno… O bien, simplemente hacer que los dos pares diferenciales lleguen directamente hasta el extremo de salida, donde naturalmente quedarían conectados.

No se recomienda hacer esto, ya que causará problemas de integridad de señal. A continuación se muestra el análisis realizado por IA, puedes revisarlo:


Esta práctica no es recomendable en absoluto en el diseño de circuitos y normalmente provoca una grave degradación en la calidad de la señal, e incluso puede hacer que el dispositivo no sea reconocido o se desconecte frecuentemente.

La conclusión sencilla y directa es: no se recomienda llevar dos pares de líneas hasta un punto remoto para luego unirlas. Lo correcto es unirlas cerca del conector Type-C (en las proximidades de los pads) y después realizar el enrutamiento como un único par diferencial.

A continuación se detallan los principales problemas que genera este método de “dos pares de rutas”:

1. El efecto letal de “stubs” (ramificaciones muertas)

USB Type-C admite inserción en ambas orientaciones, pero en cualquier momento, los datos solo pasan realmente a través de un par DP/DN (dependiendo de la orientación del conector).

  • Si usas dos pares de líneas y las unes en el extremo lejano, cuando conectes el cable, uno de los pares transportará la señal mientras que el otro quedará como una línea muerta o “stub” colgando.
  • En señales de alta frecuencia (USB 2.0 opera a 480 Mbps, con flancos de subida muy empinados), esta línea colgante causa reflexiones severas. Las señales reflejadas interfieren con la señal original, provocando cierre del diagrama de ojo y un aumento drástico en la tasa de errores de transmisión.

2. Discontinuidad de impedancia

Las líneas diferenciales requieren un control estricto de impedancia (normalmente 90\\Omega \\pm 10\\%).

  • En el punto donde se unen los dos pares (la “unión en forma de T”), la impedancia cambia bruscamente (por conexión en paralelo, la impedancia se reduce aproximadamente a la mitad).
  • Estos puntos de discontinuidad en la impedancia son fuentes de reflexión de señal y deterioran gravemente la integridad de la señal.

3. Problemas de EMI (interferencia electromagnética)

El par de líneas “inactivo” no solo causa reflexiones, sino que también actúa como una antena, irradiando ruido de alta frecuencia o captando interferencias electromagnéticas del entorno, lo que dificulta enormemente que tu producto pase la certificación EMC.


Solución recomendada (mejores prácticas)

Para garantizar la calidad de la señal, deberías adoptar una de las siguientes dos soluciones:

Opción A: Unión directa en los pads (altamente recomendado)

En la capa superior o inferior del PCB, conecta directamente A6 con B6 y A7 con B7.

  • Método: Usa enrutamiento interno o cruzado (“cross-over”) para unir rápidamente ambos grupos de pads.
  • Ventajas: Casi sin stubs, mejor continuidad de impedancia y ahorro de espacio de enrutamiento.

Opción B: Unión en capa interna

Si el espacio es realmente limitado, puedes colocar vías debajo de los dos grupos de pads y unirlos en una capa interna con la menor distancia posible.

  • Nota: La longitud entre los pads y el punto de unión debe ser lo más corta posible (generalmente menos de 50 mil).
Aspecto comparativo Unión remota Unión cercana (recomendado)
Integridad de señal Mala (reflexiones graves) Excelente
Aspecto del diagrama de ojo Desordenado, tiende a cerrarse Limpio, buena apertura
Dificultad de enrutamiento Alta (debes mantener dos pares diferenciales) Baja (solo un par diferencial)
Riesgo de certificación Muy alto (difícil pasar USB-IF) Bajo

Sugerencias adicionales

Si estás utilizando un conector de 16 pines, normalmente es para carga o comunicación USB 2.0. Asegúrate de lo siguiente:

  1. Igualdad de longitud en el par diferencial: La diferencia de longitud entre DP y DN debe estar dentro de los 5 mil.
  2. Lejos de fuentes de interferencia: Mantén las líneas diferenciales alejadas de módulos de alimentación (DC-DC) y señales de reloj.
  3. Plano de tierra completo: Debe haber una capa de referencia de tierra completa bajo las líneas; evita cruces sobre divisiones en el plano.

Te doy algunas imágenes de referencia para el trazado de las líneas USB-C D+ D-.

¡Increíble! Busqué durante mucho tiempo pero no pude encontrar una imagen de referencia; al ver la imagen, todo se aclaró de inmediato. ¡Gracias, maestro, por tu ayuda! :heart_eyes: