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🔌 Universal Voron Power & CAN HAT (EWS)
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) und USB-Hub.
📚 Inhalt
- 🔌 Universal Voron Power & CAN HAT (EWS)
🎯 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.
🚨 Gelöste Probleme
Dieses Board wurde entwickelt, um mehrere kritische Probleme zu lösen, die häufig bei Hochleistungs-3D-Drucker-Setups auftreten:
⚡ Strom- & Versorgungsprobleme
- Instabile SBC-Stromversorgung - Viele Setups leiden unter Spannungsabfällen und Strominstabilität
- Separate Power Injection erforderlich - USB-C-Touchscreens benötigen oft zusätzliche Netzteile
- Komplexe Stromverteilung - Mehrere Stromquellen erschweren die Verkabelung
🔗 CAN-Kommunikationsprobleme
- USB-CAN-Adapter - Schwer zu montieren, unzuverlässige Verbindungen, zusätzliche Fehlerquellen
- Controller-Board-Limitationen - Spider/Octopus als CAN-Bridge haben oft eingebaute Abschlusswiderstände
- CAN-Topologie-Konflikte - CAN-Toolheads und ADXL-Boards können nicht gleichzeitig an vielen Controller-Boards betrieben werden
- Native CAN nicht verfügbar - Die meisten SBC-Setups nutzen keine nativen CAN-Interfaces
🔥 Sicherheitsbedenken
- Brandgefahr durch Thermal Runaway - Keine Möglichkeit, Toolhead-Strom bei Notfällen zu trennen
- Unkontrollierte Stromversorgung - Toolheads bleiben auch bei Fehlern unter Strom
- Begrenzte Notabschaltung - Schwierig, umfassende Sicherheitsabschaltungen zu implementieren
🔌 Verkabelung & Installation
- Komplexes Kabelmanagement - CAN und 24V-Strom beginnen an verschiedenen Stellen
- Mehrere Anschlusspunkte - Erhöht Fehlermöglichkeiten und Installationskomplexität
- Unzureichende Steckernormen - Mix verschiedener Steckertypen schafft Verwirrung
🖥️ USB- & Peripherie-Probleme
- Begrenzte USB-Anschlüsse - SBCs haben oft unzureichende Hochleistungs-USB-Konnektivität
- USB-Hub-Limitationen - Externe Hubs erhöhen Komplexität und potentielle Fehlerquellen
- Power-Delivery-Standards - Inkonsistente USB-C-Stromversorgung für moderne Touchscreens
✨ Features
🔋 Stromversorgung (24V Eingang)
- Eingangsspannung: 24V DC nominal
- Anschlüsse: XT30PW-F (liegend) oder 5.08mm Schraubklemme
- Toolhead-Schaltung: 2x P-Channel MOSFETs (CJAC70P06, -60V, -70A, RDSon ca. 8mΩ) gesteuert durch PB2 und PA5 zum Ein-/Ausschalten der Toolheads (Sicherheitsfeature, falls PWM-FET am Toolhead durchlegiert)
- Überspannungsschutz: TVS-Diode (SMAJ26A, 26V Standoff, Unidirektional) 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
- Verpolschutz: SS56 Schottky-Diode
- Ausgangsspannung: 5.25V (eingestellt über Feedback-Teiler: R_Top=15.5kΩ, R_Bottom=2.0kΩ)
- 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)
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
📋 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
🔌 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)
🛠️ 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 PGND 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 |
| Betriebstemperatur | -10 bis +70 | °C |
| Abmessungen | 65 x 56 | mm |
📚 Weitere Ressourcen
- Klipper Dokumentation
- CAN-Bus Setup Guide
- Voron Documentation
- STM32G0 Reference Manual
- Katapult Firmware Flasher
Lizenz
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