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🔌 Universal Voron Power & CAN HAT (EWS)

🌍 Sprachen: English | Deutsch

Ein universelles Interface-Board (HAT) für Raspberry Pi 4/5 und Radxa Rock 5B zur Verwendung in Voron 3D-Druckern. Bietet eine leistungsstarke 5V-Versorgung (8A), CAN-Bus-Interface (USB-Bridge oder Native), USB-Hub und Lüftersteuerung.

Universal Voron Power & CAN HAT

📚 Inhalt

🎯 Über EWS

EWS steht für "Eierlegende Wollmilchsau" - ein humorvoller Begriff für eine Universallösung, die alles kann. Dieses HAT wird seinem Spitznamen gerecht, indem es mehrere essentielle Funktionen für Voron 3D-Drucker-Steuerungssysteme in einem einzigen, kompakten Board vereint.

Das Board adressiert häufige Problemstellen in Voron-Builds durch robuste Stromverteilung, zuverlässige CAN-Kommunikation und praktische USB-Konnektivität bei gleichzeitiger Kompatibilität mit Raspberry Pi und Radxa Rock 5B Single-Board-Computern.

✨ Features

🔋 Stromversorgung (24V Eingang)

  • Eingangsspannung: 24V DC nominal
  • Anschlüsse: XT30PW-F (liegend) oder 5.08mm Schraubklemme
  • Verpolschutz: P-Channel MOSFET (CJAC70P06, -60V, -70A, RDSon ca. 8mOhm)
  • Gate-Schutz MOSFET: 15V Zener-Diode (BZT52C15S) zwischen Source und Gate
  • Spannungsteiler: 30kΩ (Gate-Source) und 30kΩ (Gate-GND)
  • Überspannungsschutz: TVS-Diode (SMAJ26A, 26V Standoff, Unidirektional) platziert NACH dem MOSFET gegen GND
  • Eingangssicherung: Verteilte Absicherung (5A für DC/DC, je 5A für CAN-Anschlüsse)

⚡ DC/DC Wandler (5V Ausgang)

  • Controller: MaxLinear XR76208 (Synchroner Step-Down, 8A, COT)
  • Eingangssicherung: 5A SMD 1812 Slow Blow
  • Ausgangsspannung: 5.25V (eingestellt über Feedback-Teiler: R_Top=15.5kOhm, R_Bottom=2.0kOhm)
  • Schaltfrequenz: ca. 600kHz (eingestellt über Ron=30kOhm)
  • Induktivität: 3.3µH Shielded (Sunlord MDA1050-3R3M, Isat ca. 17A)
  • Eingangskondensatoren: 4x 10µF 1206 Keramik + 1x 100µF Elektrolyt/Polymer (Bulk)
  • Ausgangskondensatoren: 4x 22µF 1206 Keramik
  • Stabilität: Feed-Forward Kondensator (Cff) 1nF parallel zum oberen Feedback-Widerstand
  • Soft-Start: 100nF an Pin SS (ca. 6ms Anlaufzeit)
  • Stromlimit: 5.1kΩ Widerstand (~10.2A Grenzwert)
  • Enable: Spannungsteiler von 24V (100kΩ oben, 22kΩ unten) = ca. 4.3V am Pin

🔌 Logik-Spannungsversorgung (Power Path)

  • Konzept: Trennung in +5V_PWR (Hochstrom für Screen/Webcam) und +5V_LOGIC (für MCU/Hub)
  • Dioden-Weiche (ORing): 2x Schottky-Dioden (1N5819WS, 1A)
    • Quelle 1: USB_VBUS (vom Pi/PC) → Diode → +5V_LOGIC
    • Quelle 2: +5V_BUCK (vom 8A Regler) → Diode → +5V_LOGIC
  • Zweck: Board ist per USB flashbar ohne 24V-Versorgung, kein Rückstrom in den PC
  • 3.3V Erzeugung: LDO (XC6206) gespeist aus +5V_LOGIC

🧠 MCU & CAN Interface

  • Mikrocontroller: STM32G0B1KBU6 (UFQFPN-32)
  • Taktung: Crystal-less (Interner HSI48 mit Clock Recovery System CRS über USB)
  • Pi-Verbindung:
    • USB (PA11/PA12) an USB-Hub
    • UART (PA9/PA10) an Pi-Header (Pin 8/10) über Jumper trennbar
    • NRST an Pi GPIO 22 (via 1kΩ) + Taster gegen GND + 100nF Cap
    • BOOT0 (Pin 24/PA14 shared mit SWCLK) an Pi GPIO 27 (via 1kΩ) + Taster gegen 3.3V + 10kΩ Pull-Down
  • CAN-Transceiver: MCP2542WFD (oder kompatibel)
  • Muxing: Jumper wählbar zwischen STM32 (USB-CAN Bridge) und Rock/Pi Native GPIOs (Pin 3/5). Bei ROCK 5B/5B+ kann über Jumper gewählt werden, ob CAN vom Onboard-STM32G0B1 kommt oder nativ an den Rockchip geht (über GPIO-Leiste Pin 3 (CAN-RX) und Pin 5 (CAN-TX))
  • Terminierung: 120 Ω Widerstand, zuschaltbar per Jumper (direkt an den Buchsen)
  • CAN-Anschlüsse: 2x Molex Micro-Fit 3.0 (2x2)
  • Micro-Fit Pinout: Pin 1=24V, Pin 2=GND (Obere Reihe), Pin 3=CAN_H, Pin 4=CAN_L (Untere Reihe)
  • CAN-Stromabsicherung: Je 5A SMD 1812 Slow Blow pro Port

📡 USB Hub

  • Controller: WCH CH334F (QFN-24)
  • Geschwindigkeit: USB 2.0 High Speed (480 Mbit/s) mit MTT
  • Taktung: Intern (Crystal-less), XI/XO Pins offen gelassen
  • Versorgung: V5 an +5V_LOGIC
  • Upstream: Zum Raspberry Pi Header (USB Loopback Kabel erforderlich) oder USB-C Input
  • Downstream Ports:
    • STM32 (Intern)
    • USB-C Buchse (für Touchscreen)
    • USB-A Buchse (Vertikal, für Webcam)
    • JST-XH Header (Intern, Belegung: 5V, D-, D+, GND)

USB Port Absicherung:

  • Konzept: 100µF Elko als Tank an +5V_PWR, gefolgt von Polyfuse, gefolgt von 22µF Keramik an der Buchse
  • USB-C Port (Screen):
    • Polyfuse: 4.0A Hold Current (Derating für Hot Chamber berücksichtigt)
    • CC-Leitungen: CC1 und CC2 jeweils mit eigenem 10kOhm Widerstand an VBUS (hinter der Sicherung) gezogen (Source 3A Advertisement)
    • ESD-Schutz: SRV05-4 TVS-Array
  • USB-A Port (Webcam):
    • Polyfuse: 1.5A Hold Current
    • ESD-Schutz: SRV05-4 TVS-Array

🌊 Lüftersteuerung

  • Anschluss: JST-XH 2-Pin
  • Treiber: N-Channel MOSFET (AO3400)
  • STM32 Pin: PA8 (Timer 1, Hardware PWM fähig)
  • Fail-Safe: 10kΩ Pull-Up Widerstand vom Gate nach 3.3V (Lüfter läuft 100% bei Reset/Flash-Vorgang)
  • Gate-Serienwiderstand: 1kΩ

📋 Klipper Konfiguration

Basis MCU Setup

[mcu hat]
canbus_uuid: your_uuid_here
# Alternative für USB-Verbindung:
# serial: /dev/serial/by-id/usb-katapult_stm32g0b1xx_your_id-if00

[temperature_sensor hat_mcu]
sensor_type: temperature_mcu
sensor_mcu: hat

Lüftersteuerung

[temperature_fan mcu_fan]
pin: hat:!PA8
# Hinweis: Invertiert wegen Fail-Safe Pull-Up Logic
sensor_type: temperature_mcu
sensor_mcu: hat
max_power: 1.0
shutdown_speed: 1.0
cycle_time: 0.01
hardware_pwm: True
target_temp: 50.0
min_temp: 10
max_temp: 80
control: pid
pid_kp: 1.0
pid_ki: 0.5
pid_kd: 2.0

🔌 Pinout & Steckerbelegung

Stromeingang

  • XT30PW-F (liegend) oder 5.08mm Schraubklemme
    • Pin 1: +24V
    • Pin 2: GND

CAN-Bus Anschlüsse

  • 2x Molex Micro-Fit 3.0 (2x2, THT)
    • Pin 1: +24V (obere Reihe, links)
    • Pin 2: GND (obere Reihe, rechts)
    • Pin 3: CAN_H (untere Reihe, links)
    • Pin 4: CAN_L (untere Reihe, rechts)

USB Anschlüsse

  • USB-C: Touchscreen-Verbindung (5V/3A Fähigkeit)
  • USB-A: Webcam-Verbindung (vertikale Montage)
  • JST-XH Intern: 5V, D-, D+, GND

Lüftersteuerung

  • JST-XH 2-pin: Lüftersteuerung (Pin 1: +5V, Pin 2: GND/PWM)

🛠️ PCB Spezifikationen

Parameter Spezifikation
Formfaktor Standard HAT (65mm x 56mm)
Lagenaufbau 4-Layer Multilayer
Layer 1 (Top) Signal/Power
Layer 2 GND Plane
Layer 3 5V Power Plane
Layer 4 (Bottom) Signal/GND
Lötstopplack Schwarz Matt
Oberfläche ENIG (Gold)
Silkscreen Weiß
Montage Innere Montagelöcher (Pi/Rock kompatibel)
EMV-Design Montagelöcher via Stitching-Vias mit GND-Planes verbunden (Layer 2 & Bottom), isoliert von 5V-Plane (Layer 3)

⚠️ Fertigungsempfehlungen

PCB-Fertigung

  • Kupferdicke: 2oz Kupfer empfohlen für verbesserte thermische Leistung und Strombelastbarkeit
  • Via-Spezifikationen: Minimum 12-20 Vias am DC/DC-Ausgang für Thermal Management
  • Impedanzkontrolle: 90 Ω Differentiell für USB-Leiterbahnen (D+/D- Paare)

Bestückungshinweise

  • 24V Pfad: Minimum 3mm Leiterbahnbreite auf Top & Bottom Layern für 12A Gesamtstrom
  • 5V Verteilung: Nutzung der Layer 3 Plane mit massiven Anbindungen (keine Thermals) an Header und Kondensatoren
  • Thermal Management: QFN GND-Pads mit Vias angebunden, Bottom Layer Routing berücksichtigt

Bauteilbeschaffung

  • Polyfuse-Derating für Kammertemperaturen bis 60°C berücksichtigen
  • Induktivitäten mit ausreichendem Sättigungsstrom wählen (>15A empfohlen)
  • Low-ESR Kondensatoren für Schaltregler verwenden

🛠️ Technische Spezifikationen

Parameter Wert Einheit
Eingangsspannung 24 ± 2 V
5V Ausgangsstrom 8 A
Logik-Versorgungsstrom 2 A
CAN-Baudrate bis zu 1 Mbit/s
USB-Geschwindigkeit 480 Mbit/s
Lüftersteuerung PWM, 5V Schaltung -
Betriebstemperatur -10 bis +70 °C
Abmessungen 65 x 56 mm

📚 Weitere Ressourcen

Lizenz

Dieses Projekt steht unter der Creative Commons Namensnennung-Nicht kommerziell-Share Alike 4.0 International Lizenz (CC BY-NC-SA 4.0).

License: CC BY-NC-SA 4.0

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Hinweis: Dies ist die Originaldokumentation in deutscher Sprache. Eine englische Übersetzung finden Sie in README.md.