Wie Sie MicroSD-Stromkreise entwerfen, ohne die Spannungszufuhr der Platine zu destabilisieren

PCB-Designer haben oft die schwierige Aufgabe, ein perfektioniertes Design und niedrige Kosten in Einklang zu bringen. Bei Designs für Speichermedien wie microSD werden Prototypen schnell mangelhaft und teuer, wenn Dinge wie „hot insertion“ oder „Einschaltstrom“ außer Acht gelassen werden.

Meine Philosophie ist es, Hardwaredesigns einfach zu halten. Ich entferne ohne zu zögern alle Bauteile, die mir überflüssig erscheinen. Leider musste ich auf die harte Tour lernen, dass es die Dinge kompliziert machen kann, wenn man sie einfach halten will. Das war vor zehn Jahren der Fall, als ich an einem Projekt arbeitete, in dem es eine SD-Schnittstelle gab. Damit hatte ich damals noch keine Erfahrung und es gab auch kaum technische Ressourcen dazu.

Vergessen Sie nicht den Einschaltstrom

Auf den ersten Blick ist die Pinbelegung einer microSD- oder SD-Karte alles andere als kompliziert. Ein Ingenieur mit einem Minimum an Erfahrung sollte problemlos erkennen, welcher Pin wofür zuständig ist. Eine typische microSD-Karte verbraucht bis zu 10 mA bei 3,3 V, es hätte also nichts schiefgehen können, als ich diese an eine Stromversorgung mit 3,3 V anschloss. Das dachte ich zumindest, bis ich die SD-Karte wieder in meinen Prototypen einsteckte. Wie viele Ingenieure zuvor, hatte ich beim Design der Schaltungen für die SD-Schnittstelle den Einschaltstrom nicht bedacht. So kam es bei unserem Mikrocontroller jedes Mal, wenn eine SD-Karte eingesteckt wurde, zu einem Reset.

Daraus habe ich eine Lektion gelernt, die bis heute gilt. SD-Karten haben einige elektrische Eigenschaften mit den kleineren microSD-Karten gemeinsam. Das bedeutet, dass eine Wiederholung meines Fehlers von vor zehn Jahren Ihnen heute dasselbe Problem beim PCB-Design bescheren würde.

^{Kondensatoren schaffen Abhilfe!}

Glättungskondensatoren: Die schnelle Lösung, wenn Ihr Prototyp schon fertig ist.

Was ist also zu tun, nachdem Sie diesen Fehler bei einer Platine für eine microSD-Karte entdeckt haben? Die meisten microSD-Steckverbinder haben einen Kartenerkennungs-Pin, mit dem der Mikrokontroller die Präsenz einer microSD-Karte erkennt. Das System sollte den Strom nur einschalten, wenn die microSD korrekt eingesteckt ist, und wieder ausschalten, sobald diese entfernt wird. Eine schnelle Lösung ist das Hinzufügen eines Glättungskondensators in der Nähe des Stromversorgungs-Pins der microSD-Karte. Das verleiht dem Schaltkreis die nötige zusätzliche Stabilität. Diese Lösung hat sich für mich als sehr effektiv herausgestellt, um das Problem des Einschaltstroms beim Einstecken der Karte zu lösen.

Natürlich ist es nicht sehr elegant, manuell einen Kondensator auf eine fertige Leiterplatte zu löten, aber wenn etwas schnell funktionieren muss, ist es oft die einzige Möglichkeit. Hier kommt es vor allem auf die Auswahl eines Kondensators an, der genug Ladung aufnehmen kann, um den Einschaltstrom abzuschwächen und eine Destabilisierung der Spannungszufuhr zu verhindern.

Der Höchstwert eines Glättungskondensators sollte größer sein als die Summe aus der Gesamt-Lastkapazität und der Kapazität zwischen Vdd und Vss der microSD-Karte. In den meisten Fällen reichen hier Werte über 45 µF aus. Der Trick ist, ihn so nahe wie möglich an der microSD zu platzieren. Manchmal wird das bei Ihren PCB-Prototypen nicht möglich sein, sodass eine Überarbeitung der Platine erforderlich ist.

Die Frage ist nun, ob Sie bei dieser einfachen Lösung mit einem einzelnen Kondensator bleiben wollen oder eine elegantere Option bevorzugen. Meiner Erfahrung mit Speichermedien nach unterscheiden sich die elektrischen Eigenschaften von microSD-Karten je nach Hersteller, sodass ich bei künftigen Designs keine Risiken mehr eingehen würde.

^{Von Anfang an MOSFETs zu benutzen, ist eine kluge Entscheidung}

Eine elegante Lösung für die Designphase

Abgesehen von Glättungskondensatoren ist die beste Möglichkeit, Störungen der internen Spannungsversorgung einer microSD-Karte zu vermeiden, die Begrenzung des Einschaltstroms mithilfe einer elektronischen Schalters. Um genau zu sein, sollte Sie einen MOSFET des Typs FDN340P benutzen, um die Stromversorgung der microSD zu steuern. Hier arbeiten Elektronik und Firmware-Logik Hand in Hand, um die Stromzufuhr zur microSD-Karte effizient zu verwalten.

Ein MOSFET hilft durch die Begrenzung der Spannungsanstiegsrate, Probleme mit dem Einschaltstrom zu verhindern. Wählen Sie einen MOSFET mit einer akzeptablen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit für Ihre jeweilige Anwendung. Diese Anstiegsgeschwindigkeit verhindert, dass die Spannung zu schnell schwankt. Außerdem begrenzt sie den maximalen Downstream-Einschaltstrom. Beides hilft, die korrekte Funktion Ihrer microSD-Karte sicherzustellen.

Sie haben die Wahl zwischen der schnellen Lösung mit Glättungskondensatoren und der Verwendung eines MOSFET zur Kontrolle des microSD-Einschaltstroms. Sollten Sie aber dieselben Fehler machen wie ich in meinen früheren Designs, lassen sich diese jetzt einfach mit CircuitStudio lösen.

Haben Sie noch Fragen zu Glättungskondensatoren? Kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.