Linii directoare de proiectare a schemei PCB pentru circuitele de alimentare cu energie în modul comutator

Alimentarea cu comutare este o topologie de alimentare pe scară largă utilizată în electronica de putere. Fie că poate fi o mașină CNC complicată sau un dispozitiv electronic compact, atât timp cât dispozitivul este conectat la un fel de sursă de alimentare, un circuit SMPS este întotdeauna obligatoriu. Unitatea de alimentare necorespunzătoare sau defectă poate duce la o defecțiune mare a produsului, indiferent de cât de bine proiectat și funcțional poate fi circuitul. Am proiectat deja destul de multe circuite de alimentare SMPS, cum ar fi 12V 1A SMPS și 5V 2A SMPS folosind Power Integration și respectiv Viper controller IC.

Fiecare sursă de alimentare de comutare folosește un comutator ca un MOSFET sau un tranzistor de alimentare care este pornit sau oprit constant în funcție de specificațiile driverului de comutare. Frecvența de comutare a acestei stări ON și OFF variază de la câteva sute de kiloherci la megahertz. Într-un astfel de modul de comutare de înaltă frecvență, tactica de proiectare a PCB-urilor este mult mai esențială și este uneori ignorată de proiectant. De exemplu, un design slab al PCB ar putea duce la eșecul întregului circuit, precum și un PCB bine conceput ar putea rezolva multe evenimente neplăcute.

Ca regulă generală, acest tutorial va oferi câteva aspecte detaliate ale liniilor directoare importante privind aspectul proiectării PCB-ului, care sunt esențiale pentru orice tip de proiectare PCB bazată pe sursa de alimentare în modul de comutare. Puteți consulta, de asemenea, tehnicile de proiectare pentru reducerea EMI în circuitele SMPS.

În primul rând, pentru proiectarea unei surse de alimentare cu comutare, trebuie să aveți o indicație clară a cerințelor și specificațiilor circuitului. Sursa de alimentare are patru porțiuni importante.

1. Filtre de intrare și ieșire.
2. Circuitul driverului și componentele asociate pentru driver, în special circuitul de control.
3. Inductoare de comutare sau transformatoare
4. Output Bridge și filtrele asociate.

Într-un design PCB, toate aceste segmente trebuie separate în PCB și necesită o atenție specială. Vom discuta fiecare segment în detaliu în acest articol.

Liniile directoare pentru filtrele de intrare și asociate

Secțiunea de intrare și filtru este locul în care liniile de alimentare zgomotoase sau neregulate se conectează la circuit. Prin urmare, condensatorii filtrului de intrare trebuie să fie amplasați la o distanță uniformă de conectorul de intrare și circuitul driverului. Este esențial să folosiți întotdeauna o lungime scurtă de conexiune pentru conectarea secțiunii de intrare cu circuitul driverului.

Secțiunile evidențiate din imaginea de mai sus reprezintă amplasarea apropiată a condensatoarelor de filtrare.

Liniile directoare pentru circuitul de comandă și circuitul de control

Driverul constă în principal dintr-un MOSFET intern sau uneori MOSFET-ul de comutare este conectat extern. Linia de comutare este pornită și oprită întotdeauna la o frecvență foarte mare și creează o linie de alimentare foarte zgomotoasă. Această porțiune trebuie întotdeauna separată de toate celelalte conexiuni.

De exemplu, linia de curent continuu de înaltă tensiune care merge direct la transformator (Pentru flyback SMPS) sau linia de curent continuu care merge direct la inductor de putere (regulatoare de comutare bazate pe topologie Buck sau Boost) ar trebui separate.

În imaginea de mai jos, semnalul evidențiat este linia de înaltă tensiune DC. Semnalul este direcționat în așa fel încât să fie separat de alte semnale.

Una dintre cele mai zgomotoase linii într-un design de alimentare cu comutare este știftul de scurgere al șoferului, indiferent dacă este un design flyback de la AC la DC sau poate fi o sursă de alimentare cu comutare redusă bazată pe topologie Buck, Boost sau Buck-Boost. proiecta. Întotdeauna trebuie să fie separat de toate celelalte conexiuni, precum și trebuie să fie foarte scurt, deoarece acest tip de rute poartă în general semnale de înaltă frecvență. Cea mai bună modalitate de a izola această linie de semnal de altele este de a folosi decuparea PCB-ului folosind straturi de frezare sau dimensiuni.

În imaginea de mai jos, este afișată o conexiune izolată a pinului de scurgere care are o distanță sigură de opto-cuplaj, precum și decupajul PCB va elimina orice interferență de la alte rute sau semnale.

Un alt punct important este că un circuit al șoferului are aproape întotdeauna feedback sau linie detectată (de câteva ori mai mult decât una, cum ar fi linia de detectare a tensiunii de intrare, linia de detectare a ieșirii), care este foarte sensibilă și funcționarea driverului este în întregime dependentă prin detectarea feedback-ului. Orice tip de feedback sau linie de detectare ar trebui să aibă o lungime mai scurtă pentru a evita cuplarea zgomotului. Aceste tipuri de linii trebuie întotdeauna separate de alimentare, de comutare sau de orice alte linii zgomotoase.

Imaginea de mai jos prezintă o linie de feedback separată de la optocuplor la driver.

Nu numai acest lucru, dar un circuit driver poate avea, de asemenea, mai multe tipuri de componente, cum ar fi condensatoare, filtre RC care sunt necesare pentru a controla operațiunile circuitului driverului. Aceste componente trebuie amplasate îndeaproape peste șofer.

Liniile directoare pentru comutarea inductoarelor și transformatoarelor

Switching Inductor este cea mai mare componentă disponibilă pe orice placă de alimentare după condensatori voluminoși. Un proiect greșit este să direcționeze orice tip de conexiune între cablurile inductorului. Este esențial să nu direcționați niciun semnal între puteri sau plăcuțele inductorului de filtru.

De asemenea, ori de câte ori transformatoarele sunt utilizate într-o sursă de alimentare, în special în AC-DC SMPS, utilizarea principală a acestui transformator este de a izola intrarea cu ieșirea. Este necesară o distanță adecvată între plăcuțele primare și secundare. Unul dintre cele mai bune moduri de a crește scurgerea este prin aplicarea unei limite de PCB folosind un strat de frezare. Nu folosiți niciodată niciun fel de rutare între cablurile transformatorului.

Liniile directoare pentru secțiunea Pod de ieșire și Filtru

Puntea de ieșire este o diodă Schottky cu curent mare care disipă căldura în funcție de curentul de sarcină. În câteva cazuri, sunt necesare chiuvete de căldură PCB care trebuie create în PCB în sine folosind planul de cupru. Eficiența radiatorului este proporțională cu suprafața și grosimea cuprului PCB.

Există două tipuri de grosime de cupru disponibile în mod obișnuit în PCB-uri, 35 microni și 70 microni. Cu cât este mai mare grosimea, cu atât este mai bună conectivitatea termică și zona radiatorului PCB. Dacă PCB este un strat dublu și spațiul încălzit nu este într-o oarecare măsură disponibil într-un PCB, se pot utiliza ambele părți ale planului de cupru și s-ar putea conecta aceste două părți folosind vii comune.

Imaginea de mai jos este un exemplu de radiator de PCB al unei diode Schottky care este creată în stratul inferior.

Condensatorul de filtrare imediat după dioda Schottky trebuie să fie amplasat foarte aproape de transformator sau de inductor de comutare, astfel încât bucla de alimentare prin inductor, diodă Bridge și condensator să devină foarte scurtă. Într-un astfel de mod, ondulația de ieșire poate fi redusă.

Imaginea de mai sus este un exemplu de buclă scurtă de la ieșirea transformatorului la dioda podului și condensatorul filtrului.

Reducerea rebotului la sol pentru aspectele PCB SMPS

În primul rând, umplerea la sol este esențială și separarea diferitelor planuri de masă într-un circuit de alimentare este un alt lucru cel mai important.

Din perspectiva circuitelor, o sursă de alimentare de comutare poate avea o singură masă comună pentru toate componentele, dar nu este cazul în timpul fazei de proiectare a PCB. Conform perspectivei de proiectare a PCB, solul este separat în două părți. Prima porțiune este împământare electrică și a doua porțiune este masă analogică sau de control. Aceste două motive au aceeași legătură, dar există o mare diferență. Masa analogică sau de control este utilizată de componentele care sunt asociate cu circuitul driverului. Aceste componente utilizează un plan de masă care creează o cale de întoarcere a curentului redus, pe de altă parte, solul de putere transportă calea de întoarcere a curentului mare. Componentele de alimentare sunt zgomotoase și ar putea duce la probleme de revenire la sol în circuitele de control dacă sunt conectate direct în aceeași masă. Imaginea de mai jos arată cum circuitele analogice și de control sunt complet izolate de alte linii de alimentare ale PCB într-un PCB cu un singur strat.

Aceste două porțiuni trebuie separate și ar trebui conectate într-o anumită regiune.

Acest lucru este ușor dacă PCB-ul este un strat dublu, cum ar fi stratul superior poate fi folosit ca o masă de control și toate circuitele de control ar trebui să fie conectate în planul comun de masă din stratul superior. Pe de altă parte, stratul inferior poate fi folosit ca o masă electrică și toate componentele zgomotoase ar trebui să utilizeze acest plan de masă. Dar aceste două motive sunt aceeași conexiune și conectate în schemă. Acum, pentru conectarea straturilor superioare și inferioare, vias pot fi utilizate pentru conectarea ambelor planuri de sol într-un singur loc. De exemplu, vezi imaginea de mai jos -

Partea de mai sus a driverului are toate condensatoarele legate de filtrul de putere care utilizează separat un plan de masă numit Power GND, dar partea de mai jos a IC-ului driverului este toate componentele legate de control, utilizând un control GND separat. Ambele motive sunt aceeași conexiune, dar create separat. Ambele conexiuni GND s-au alăturat apoi pe driverul IC.

Respectați standardele IPC

Respectați liniile directoare și regulile PCB conform standardului de proiectare PCB IPC. Acest lucru minimizează întotdeauna șansele de eroare dacă proiectantul respectă standardul de proiectare PCB descris în IPC2152 și IPC-2221B. Amintiți-vă în principal că lățimea urmelor afectează direct temperatura și capacitatea de încărcare curentă. Prin urmare, lățimea greșită a urmelor ar putea duce la o creștere a temperaturii și la un debit slab de curent.

Distanța dintre două urme este, de asemenea, importantă pentru a evita eșecurile incerte sau conversațiile încrucișate, uneori focurile încrucișate în aplicațiile de înaltă tensiune de curent ridicat. IPC-9592B descrie distanța recomandată între liniile de alimentare în proiectarea PCB bazată pe sursa de alimentare.

Kelvin Connection pentru Sense Line

Conexiunea Kelvin este un alt parametru important în proiectarea plăcii de alimentare, datorită preciziei măsurătorilor care afectează capacitatea circuitului de control. Un circuit de control al sursei de alimentare necesită întotdeauna un fel de măsurători, fie că este vorba de detectarea curentului sau de tensiune în linia de feedback sau de detectare. Această detectare trebuie făcută de la componentele componente în așa fel încât alte semnale sau urme să nu interfereze cu linia de sens. Conexiunea Kelvin ajută la realizarea aceluiași lucru, dacă linia de sens este o pereche diferențială, lungimea trebuie să fie aceeași atât pentru urmele, cât și pentru urmele ar trebui să se conecteze între componentele componente.

De exemplu, conexiunea Kelvin este descrisă în mod corespunzător în ghidurile de proiectare PCB ale controlerelor de putere de către instrumentele Texas.

Imaginea de mai sus arată o detecție corectă a curentului utilizând o conexiune Kelvin. Conexiunea corectă este conexiunea kelvin adecvată, care va fi esențială pentru proiectarea liniei de sens. Aspectul PCB este, de asemenea, dat în mod corespunzător în documentul respectiv.

Aspectul PCB arată o conexiune strânsă între condensatorul ceramic 10nF și 1nF de pe driverul sau controlerul IC. Linia Sense reflectă, de asemenea, conexiunea kelvin adecvată. Stratul de putere interioară este o linie de sursă separată care este conectată cu aceleași linii de sursă separate, dar folosind mai multe vii pentru a reduce cuplarea zgomotului.