Wytyczne dotyczące projektowania układu PCB dla obwodów zasilacza impulsowego

Zasilacz impulsowy jest szeroko stosowaną topologią zasilania w energoelektronice. Niezależnie od tego, czy może to być skomplikowana maszyna CNC, czy kompaktowe urządzenie elektroniczne, o ile urządzenie jest podłączone do jakiegoś źródła zasilania, obwód SMPS jest zawsze obowiązkowy. Nieprawidłowy lub wadliwy zasilacz może doprowadzić do poważnej awarii produktu, niezależnie od tego, jak dobrze zaprojektowany i funkcjonalny może być obwód. Zaprojektowaliśmy już sporo obwodów zasilacza SMPS, takich jak SMPS 12 V 1 A i SMPS 5 V 2 A, wykorzystując odpowiednio układ scalony Power Integration i Viper.

Każdy zasilacz impulsowy wykorzystuje przełącznik, taki jak MOSFET lub tranzystor mocy, który jest stale włączany lub wyłączany w zależności od specyfikacji sterownika przełączającego. Częstotliwość przełączania tego stanu włączenia i wyłączenia wynosi od kilkuset kiloherców do zakresu megaherców. W takim module przełączającym o wysokiej częstotliwości taktyka projektowania PCB jest znacznie bardziej istotna i czasami jest pomijana przez projektanta. Na przykład zły projekt PCB może doprowadzić do awarii całego obwodu, a dobrze zaprojektowana PCB może rozwiązać wiele nieprzyjemnych zdarzeń.

Zgodnie z ogólną zasadą, ten samouczek zawiera szczegółowe aspekty ważnych wytycznych dotyczących projektowania PCB, które są niezbędne dla każdego rodzaju projektowania PCB opartego na zasilaczach impulsowych. Możesz również sprawdzić Techniki projektowania redukcji zakłóceń elektromagnetycznych w obwodach SMPS.

Po pierwsze, aby zaprojektować zasilacz impulsowy, trzeba mieć jasne wskazanie wymagań i specyfikacji obwodów. Zasilacz ma cztery ważne części.

Filtry wejściowe i wyjściowe.
Obwody sterownika i powiązane elementy sterownika, zwłaszcza obwód sterujący.
Przełączanie cewek lub transformatorów
Output Bridge i powiązane filtry.

W projekcie PCB wszystkie te segmenty muszą być rozdzielone w PCB i wymagają szczególnej uwagi. W tym artykule szczegółowo omówimy każdy segment.

Wytyczne dotyczące filtrów wejściowych i powiązanych

Wejście i sekcja filtra to miejsce, w którym zaszumione lub nieregulowane linie zasilające są podłączane do obwodu. Dlatego kondensatory filtru wejściowego muszą być umieszczone w równych odstępach od złącza wejściowego i obwodu sterującego. Do połączenia sekcji wejściowej z obwodem sterownika należy zawsze używać krótkiego połączenia.

Podświetlone sekcje na powyższym obrazku przedstawiają bliskie rozmieszczenie kondensatorów filtrujących.

Wytyczne dotyczące obwodów sterownika i obwodu sterującego

Sterownik składa się głównie z wewnętrznego MOSFET-u lub czasami przełączający MOSFET jest podłączony zewnętrznie. Linia przełączająca jest zawsze włączana i wyłączana z bardzo wysoką częstotliwością i tworzy bardzo hałaśliwą linię zasilającą. Ta część zawsze musi być oddzielona od wszystkich innych połączeń.

Na przykład linia prądu stałego wysokiego napięcia, która idzie bezpośrednio do transformatora (w przypadku SMPS flyback) lub linia DC, która przechodzi bezpośrednio do cewki indukcyjnej (regulatory przełączające oparte na topologii Buck lub Boost), powinna zostać oddzielona.

Na poniższym obrazku podświetlony sygnał to linia wysokiego napięcia DC. Sygnał jest kierowany w taki sposób, że jest oddzielony od innych sygnałów.

Jedną z najgłośniejszych linii w konstrukcji zasilacza impulsowego jest pin spustowy sterownika, niezależnie od tego, czy jest to projekt flyback AC do DC, czy może to być zasilacz impulsowy o niskiej mocy oparty na topologii buck, boost lub buck-boost projekt. Zawsze musi być oddzielone od wszystkich innych połączeń, a także musi być bardzo krótkie, ponieważ tego typu trasy generalnie przenoszą sygnały o bardzo wysokiej częstotliwości. Najlepszym sposobem na odizolowanie tej linii sygnałowej od innych jest użycie wycięcia PCB za pomocą frezowania lub warstw wymiarowych.

Na poniższym obrazku pokazano izolowane złącze styku spustowego, które ma bezpieczną odległość od optozłącza, a także odcięcie płytki drukowanej usunie wszelkie zakłócenia z innych tras lub sygnałów.

Inną ważną kwestią jest to, że obwód sterownika prawie zawsze ma linię sprzężenia zwrotnego lub wykrywaną (czasami więcej niż jedną, taką jak linia wykrywania napięcia wejściowego, linia czujnika wyjściowego), która jest bardzo czuła, a działanie sterownika jest całkowicie zależne od wykrywania sprzężenia zwrotnego. Każdy rodzaj sprzężenia zwrotnego lub linii wykrywania powinien być krótszy, aby uniknąć sprzężenia szumowego. Te typy linii zawsze muszą być oddzielone od zasilania, przełączania lub innych linii zakłócających.

Poniższy obraz przedstawia oddzielną linię sprzężenia zwrotnego od transoptora do sterownika.

Nie tylko to, ale obwód sterownika może również mieć wiele typów komponentów, takich jak kondensatory, filtry RC, które są wymagane do sterowania działaniami obwodu sterownika. Elementy te należy umieścić blisko przetwornika.

Wytyczne dotyczące przełączania cewek i transformatorów

Cewka przełączająca jest największym dostępnym elementem na każdej płytce zasilającej po nieporęcznych kondensatorach. Jeden zły projekt polega na poprowadzeniu dowolnego rodzaju połączenia między przewodami cewki indukcyjnej. Istotne jest, aby nie kierować żadnych sygnałów między mocami lub wkładkami induktora filtra.

Ponadto, ilekroć transformatory są używane w zasilaczu, szczególnie w zasilaczach AC-DC, głównym zastosowaniem tego transformatora jest izolacja wejścia od wyjścia. Wymagana jest odpowiednia odległość między podkładkami podstawowymi i dodatkowymi. Najlepszym sposobem na zwiększenie pełzania jest zastosowanie odcięcia PCB za pomocą warstwy frezującej. Nigdy nie używaj żadnego rodzaju trasowania między przewodami transformatora.

Wytyczne dotyczące sekcji mostka wyjściowego i filtrów

Mostek wyjściowy to wysokoprądowa dioda Schottky'ego, która rozprasza ciepło w zależności od prądu obciążenia. W kilku przypadkach wymagane są radiatory PCB, które należy utworzyć w samej PCB za pomocą płaszczyzny miedzianej. Wydajność radiatora jest proporcjonalna do powierzchni i grubości miedzi PCB.

Istnieją dwa rodzaje grubości miedzi powszechnie dostępne w PCB, 35 mikronów i 70 mikronów. Im większa grubość, tym lepsza łączność termiczna i skracają się obszar radiatora PCB. Jeśli płytka drukowana jest dwuwarstwowa, a ogrzewana przestrzeń jest nieco niedostępna na płytce drukowanej, można użyć obu stron płaszczyzny miedzianej i połączyć te dwie strony za pomocą wspólnych przelotek.

Poniższy rysunek przedstawia przykład radiatora PCB diody Schottky'ego, który jest utworzony w dolnej warstwie.

Kondensator filtrujący zaraz za diodą Schottky'ego musi być umieszczony bardzo blisko transformatora lub cewki przełączającej w taki sposób, aby pętla zasilająca przez cewkę , diodę mostkową i kondensator była bardzo krótka. W ten sposób można zmniejszyć tętnienia wyjściowe.

Powyższy obraz jest przykładem krótkiej pętli od wyjścia transformatora do diody mostkowej i kondensatora filtrującego.

Zmniejszanie odbicia gruntu dla układów PCB SMPS

Po pierwsze, niezbędne jest wypełnienie masy, a oddzielenie różnych płaszczyzn uziemienia w obwodzie zasilania to kolejna najważniejsza rzecz.

Z punktu widzenia obwodów zasilacz impulsowy może mieć jedną wspólną masę dla wszystkich komponentów, ale tak nie jest na etapie projektowania PCB. Zgodnie z perspektywą projektowania PCB, uziemienie jest podzielone na dwie części. Pierwsza część to uziemienie, a druga część to masa analogowa lub sterująca. Te dwie podstawy mają to samo połączenie, ale istnieje duża różnica. Uziemienie analogowe lub sterujące jest używane przez komponenty powiązane z obwodem sterownika. Te komponenty wykorzystują płaszczyznę uziemienia, która tworzy niską ścieżkę powrotną prądu, z drugiej strony, uziemienie przenosi ścieżkę powrotną wysokiego prądu. Elementy zasilania są hałaśliwe i mogą prowadzić do niepewnych problemów z odbiciem masy w obwodach sterowania, jeśli są bezpośrednio połączone z tym samym uziemieniem. Poniższy rysunek pokazuje, jak obwody analogowe i sterujące są całkowicie odizolowane od innych linii zasilających PCB w jednowarstwowej PCB.

Te dwie części muszą być rozdzielone i powinny być połączone w określonym regionie.

Jest to łatwe, jeśli płytka drukowana jest dwuwarstwowa, tak jak górna warstwa może służyć jako masa sterująca, a wszystkie obwody sterujące powinny być podłączone do wspólnej płaszczyzny uziemienia w górnej warstwie. Z drugiej strony, dolna warstwa może służyć jako uziemienie i wszystkie hałaśliwe komponenty powinny używać tej płaszczyzny uziemienia. Ale te dwie podstawy to to samo połączenie i połączone na schemacie. Teraz do łączenia górnej i dolnej warstwy można użyć przelotek do połączenia obu płaszczyzn podłoża w jednym miejscu. Na przykład zobacz poniższy obraz -

Powyższa część sterownika ma wszystkie kondensatory związane z filtrem mocy, które używają płaszczyzny uziemienia oddzielnie zwanej Power GND, ale poniższa część układu scalonego sterownika to wszystkie komponenty związane ze sterowaniem, używając oddzielnego sterowania GND. Obie podstawy to to samo połączenie, ale utworzone oddzielnie. Oba połączenia GND zostały następnie połączone przez układ scalony sterownika.

Postępuj zgodnie ze standardami IPC

Postępuj zgodnie z wytycznymi i zasadami dotyczącymi PCB zgodnie ze standardem projektowania PCB IPC. To zawsze minimalizuje ryzyko błędu, jeśli projektant postępuje zgodnie ze standardem projektowania PCB opisanym w IPC2152 i IPC-2221B. Przede wszystkim pamiętaj, że szerokość śladów ma bezpośredni wpływ na temperaturę i obciążalność prądową. Dlatego niewłaściwa szerokość śladów może prowadzić do wzrostu temperatury i słabego przepływu prądu.

Odstęp między dwoma śladami jest również ważne, aby uniknąć niepewnego awarii lub cross-talk, czasami crossfires w bieżącej aplikacji wysokiej wysokiego napięcia. IPC-9592B opisuje zalecany odstęp między liniami zasilającymi w projekcie PCB opartym na zasilaczu.

Połączenie Kelvina dla Sense Line

Połączenie Kelvina to kolejny ważny parametr w projekcie płytki zasilacza, ze względu na dokładność pomiaru, która wpływa na zdolność obwodu sterującego. Obwód sterujący zasilacza zawsze wymaga pewnego rodzaju pomiarów, czy to wykrywania prądu, czy wykrywania napięcia w sprzężeniu zwrotnym lub linii wykrywania. To wykrywanie powinno być wykonywane z wyprowadzeń komponentów w taki sposób, aby inne sygnały lub ślady nie zakłócały linii wykrywania. Połączenie Kelvina pomaga w osiągnięciu tego samego, jeśli linia zwrotna jest parą różnicową, długość musi być taka sama dla obu ścieżek, a ścieżka powinna łączyć się przez przewody składowe.

Na przykład połączenie Kelvina jest prawidłowo opisane w wytycznych projektowych PCB kontrolerów mocy firmy Texas Instruments.

Powyższy obraz przedstawia prawidłowe wykrywanie prądu przy użyciu połączenia Kelvina. Właściwe połączenie to właściwe połączenie w kelwinach, które będzie niezbędne przy projektowaniu linii sensora. Układ PCB jest również poprawnie przedstawiony w tym dokumencie.

Układ PCB pokazuje bliskie połączenie między kondensatorem ceramicznym 10nF i 1nF w układzie sterownika lub sterownika. Linia Sense odzwierciedla również prawidłowe połączenie kelwinów. Wewnętrzna warstwa zasilania jest oddzieloną linią źródłową, która jest połączona z tymi samymi, ale oddzielnymi liniami źródłowymi za pomocą wielu przelotek w celu zmniejszenia sprzężenia szumów.