Вказівки щодо проектування друкованої плати для схем живлення в режимі комутації

Імпульсний блок живлення - це широко використовувана топологія джерела живлення в силовій електроніці. Будь то складний верстат з ЧПУ або компактний електронний пристрій, якщо пристрій підключений до якогось джерела живлення, схема SMPS завжди є обов'язковою. Неправильний або несправний блок живлення може призвести до великої несправності виробу, незалежно від того, наскільки добре спроектована та функціональна схема може бути. Ми вже розробили досить багато ланцюгів живлення SMPS, таких як 12V 1A SMPS та 5V 2A SMPS, використовуючи інтегральну схему інтеграції живлення та Viper відповідно.

Кожне імпульсне джерело живлення використовує такий вимикач, як MOSFET або силовий транзистор, який постійно вмикається або вимикається залежно від специфікації драйвера комутації. Частота перемикання цього стану УВІМК. І ВИМК. Коливається від кількох сотень кілогерц до мегагерц. У такому високочастотному модулі комутації тактика проектування друкованих плат набагато важливіша, і її іноді дизайнер не помічає. Наприклад, погана конструкція друкованої плати може призвести до виходу з ладу всієї схеми, а також добре розроблена друкована плата може вирішити багато неприємних подій.

Як загальне ескізне правило, цей посібник надасть деякі детальні аспекти важливих вказівок щодо дизайну друкованих плат, які є важливими для будь-якого типу проектування друкованої плати на основі імпульсного режиму. Ви також можете ознайомитись із техніками проектування зменшення EMI в схемах SMPS.

Перш за все, для проектування імпульсного джерела живлення потрібно чітко вказати вимоги до електричних схем та технічні характеристики. Блок живлення має чотири важливі частини.

1. Вхідні та вихідні фільтри.
2. Схема драйвера та супутні компоненти для драйвера, особливо схема управління.
3. Комутаційні індуктори або трансформатори
4. Вихідний міст та відповідні фільтри.

У конструкції друкованої плати всі ці сегменти повинні бути розділені на друковану плату і вимагають особливої ​​уваги. Ми детально обговоримо кожен сегмент у цій статті.

Вказівки щодо вхідних та пов’язаних фільтрів

Вхід і секція фільтра - це місце, де шумові або нерегульовані лінії живлення підключаються до ланцюга. Тому конденсатори вхідного фільтра повинні розташовуватися на рівномірній відстані від вхідного роз'єму та схеми драйвера. Важливо завжди використовувати коротке з'єднання для з'єднання вхідної секції з ланцюгом драйвера.

Виділені розділи на зображенні вище представляють близьке розміщення конденсаторів фільтра.

Вказівки щодо схеми драйвера та схеми управління

Драйвер в основному складається з внутрішнього MOSFET-транзистора, або іноді комутаційний MOSFET-підключений зовні. Комутаційна лінія завжди включається і вимикається на дуже високій частоті і створює дуже галасливу лінію живлення. Ця частина завжди повинна бути відокремлена від усіх інших з'єднань.

Наприклад, високовольтну лінію постійного струму, яка безпосередньо йде до трансформатора (для SMPS із зворотним зв'язком), або лінію постійного струму, яка безпосередньо йде до індуктора потужності (регулятори перемикання на основі топології Бака або Посилення), слід розділити.

На зображенні нижче виділений сигнал - це лінія постійного струму високої напруги. Сигнал направляється таким чином, що він відокремлюється від інших сигналів.

Однією з найбільш шумних ліній в конструкції джерела живлення в режимі перемикання є зливний штифт драйвера, будь то конструкція зворотного зв'язку від змінного до постійного струму, або це може бути імпульсний блок живлення на основі низької потужності, заснований на топології зниження, підсилення або підсилення. дизайн. Він завжди повинен бути відокремлений від усіх інших з'єднань, а також повинен бути дуже коротким, оскільки цей тип маршрутизації зазвичай несе дуже високочастотні сигнали. Найкращий спосіб ізолювати цю сигнальну лінію від інших - використовувати виріз друкованої плати за допомогою фрезерних або розмірних шарів.

На зображенні нижче показано ізольоване зливне штифтове з'єднання, яке має безпечну відстань від опто-муфти, а також вирізана друкована плата усуне будь-які перешкоди від інших маршрутів або сигналів.

Іншим важливим моментом є те, що схема драйвера майже завжди має зворотній зв'язок або сенсорну лінію (в рази більше, ніж таку, як лінія датчика вхідної напруги, вихідна лінія чутливості), яка є дуже чутливою, і робота драйвера повністю залежить від зондування зворотного зв'язку. Будь-який тип зворотного зв'язку або сенсорної лінії повинен бути коротшим за довжиною, щоб уникнути шумового зв'язку. Такі лінії завжди потрібно відокремлювати від силових, комутаційних або будь-яких інших галасливих ліній.

На зображенні нижче показано окремий рядок зворотного зв'язку від оптрона до драйвера.

Не тільки це, але і схема драйвера може також мати кілька типів компонентів, таких як конденсатори, RC-фільтри, які необхідні для управління роботою схеми драйвера. Ці компоненти повинні бути розташовані близько водія.

Вказівки щодо перемикання індукторів та трансформаторів

Комутаційний індуктор є найбільшим доступним компонентом будь-якої плати живлення після громіздких конденсаторів. Однією з поганих конструкцій є маршрутизація будь-якого зв’язку між провідниками індуктора. Важливо не направляти будь-які сигнали між потужностями або колодками індуктивності фільтра.

Крім того, коли трансформатори використовуються в джерелі живлення, особливо в SMPS змінного та постійного струму, основним використанням цього трансформатора є ізоляція входу від виходу. Потрібна відповідна відстань між первинною та вторинною накладками. Одним з найкращих способів збільшити повзучість є застосування відсікання друкованої плати за допомогою фрезерного шару. Ніколи не використовуйте жодних маршрутів між висновками трансформатора.

Вказівки щодо вихідного мосту та розділу фільтра

Вихідний міст - це діод Шотткі з високим струмом, який розсіює тепло залежно від струму навантаження. У деяких випадках необхідні радіатори для друкованої плати, які потрібно створити в самій друкованій платі за допомогою мідної площини. Ефективність радіатора пропорційна площі та товщині друкованої плати.

Є два типи товщини міді, які зазвичай доступні в друкованих платах, 35 мкм і 70 мкм. Чим вища товщина, тим краща теплова підключеність і площа радіатора PCB скорочуються. Якщо друкована плата є подвійним шаром, а нагрітий простір дещо відсутній у друкованій платі, можна використовувати обидві сторони мідної площини і можна з'єднати ці дві сторони за допомогою загальних прорізів.

Наведене нижче зображення є прикладом радіатора друкованої плати діода Шотткі, який створюється в нижньому шарі.

Конденсатор фільтра відразу після діода Шотткі потрібно розмістити дуже близько поперек трансформатора або індуктивності перемикання таким чином, щоб петля живлення через індуктор, мостовий діод і конденсатор стала дуже короткою. Таким чином, пульсацію на виході можна зменшити.

Наведене зображення є прикладом короткого циклу від виходу трансформатора до мостового діода та конденсатора фільтра.

Зменшення відмов від заземлення для макетів друкованої плати SMPS

По-перше, заповнення ґрунту є важливим, а розділення різних площин заземлення в ланцюзі електроживлення - ще одна найважливіша річ.

З точки зору схем, імпульсний блок живлення може мати єдину загальну основу для всіх компонентів, але це не так на етапі проектування друкованої плати. Відповідно до перспективи проектування друкованої плати, земля розділена на дві частини. Перша частина - це заземлення, а друга - аналогове або контрольне. Ці дві підстави мають однаковий зв’язок, але є велика різниця. Аналогове або контрольне заземлення використовують компоненти, пов'язані з ланцюгом драйвера. Ці компоненти використовують землю, яка створює зворотний шлях із низьким струмом, з іншого боку, силовий заземлювач несе зворотний шлях із високим струмом. Компоненти живлення є шумними і можуть призвести до невизначених проблем з відскоком заземлення в схемі управління, якщо вони безпосередньо підключені до одного і того ж заземлення. На зображенні нижче показано, як аналогова схема та схема керування повністю ізольовані від інших ліній електропередач друкованої плати в одношаровій друкованій платі.

Ці дві частини потрібно розділити і з'єднати в певному регіоні.

Це легко, якщо друкована плата є подвійним шаром, як верхній шар може використовуватися як контрольний заземлювач, і всі схеми управління повинні бути з'єднані в загальній площині заземлення у верхньому шарі. З іншого боку, нижній шар можна використовувати як силовий заземлювач, і всі галасливі компоненти повинні використовувати цю заземлювальну площину. Але ці дві підстави є однаковим зв’язком і пов’язані в схемі. Тепер, для з'єднання верхнього та нижнього шарів, vias можна використовувати для з'єднання обох площин землі в одному місці. Наприклад, дивіться зображення нижче -

У вищезазначеній частині драйвера є всі конденсатори, пов’язані з фільтром живлення, які використовують заземлення окремо під назвою Power GND, але нижча частина ІС драйвера - це всі компоненти, пов’язані з управлінням, використовуючи окремий GND управління. Обидві підстави є однаковим зв'язком, але створені окремо. Потім обидва GND-з'єднання з'єдналися через драйвер IC.

Дотримуйтесь стандартів IPC

Дотримуйтесь рекомендацій та правил друкованої плати відповідно до стандарту дизайну друкованих плат IPC. Це завжди мінімізує ймовірність помилок, якщо розробник дотримується стандарту проектування друкованих плат, описаного в IPC2152 та IPC-2221B. В основному пам’ятайте, що ширина слідів безпосередньо впливає на температуру та пропускну здатність струму. Тому неправильна ширина слідів може призвести до підвищення температури та поганого потоку струму.

Відстань між двома слідами також має важливе значення, щоб уникнути невизначеною недостатності або перехресні перешкоди, іноді CrossFires в високому застосуванні струму високої напруги. IPC-9592B описує рекомендований інтервал між лініями електроживлення в конструкції друкованої плати на основі джерела живлення.

Кельвін зв’язок для Sense Line

З'єднання Кельвіна - ще один важливий параметр у конструкції плати електропостачання через точність вимірювання, яка впливає на здатність схеми управління. Схема управління джерелом живлення завжди вимагає певних вимірювань, будь то зондування струму або напруга в зворотній зв'язку або сенсорній лінії. Це зондування повинно проводитися з відведення компонентів таким чином, щоб інші сигнали або сліди не заважали лінії відчуття. З'єднання Кельвіна допомагає досягти того самого, якщо сенсорна лінія є диференціальною парою, довжина повинна бути однаковою як для слідів, так і для сліду, який повинен з'єднуватися між відведеннями компонентів.

Наприклад, підключення Кельвіна належним чином описано в рекомендаціях щодо проектування друкованої плати контролерів живлення від Texas Texas Instruments.

На наведеному вище зображенні показано належне зондування струму за допомогою з’єднання Кельвіна. Правильне з'єднання - це правильний кельвіновий зв'язок, який буде важливим для розумного дизайну лінії. Розмітка друкованої плати також правильно вказана в цьому документі.

Розмітка друкованої плати показує тісний зв’язок між керамічним конденсатором 10 нФ і 1 нФ через ІС драйвера або контролера. Лінія Sense також відображає правильний кельвінівський зв’язок. Внутрішній енергетичний рівень - це відокремлена лінія джерела, яка з'єднана з однаковими, але відокремленими лініями джерела, використовуючи безліч віа для зменшення шумового зв'язку.