Smernice za načrtovanje postavitve PCB za napajalna vezja v stikalnem načinu

Preklopno napajanje je široko uporabljena topologija napajanja v močnostni elektroniki. Naj bo to zapleten CNC stroj ali kompaktna elektronska naprava, če je naprava priključena na nekakšen vir napajanja, je vezje SMPS vedno obvezno. Nepravilna ali napačna napajalna enota lahko privede do velike okvare izdelka, ne glede na to, kako dobro zasnovano in funkcionalno je vezje. Z uporabo Power Integration in Viper IC krmilnika smo že zasnovali kar nekaj napajalnih vezij SMPS, kot sta 12V 1A SMPS in 5V 2A SMPS.

Vsako stikalno napajanje uporablja stikalo, kot je MOSFET ali močnostni tranzistor, ki se nenehno vklaplja ali izklaplja, odvisno od specifikacije stikalnega gonilnika. Frekvenca preklapljanja v tem stanju vklopa in izklopa je od nekaj sto kilohercev do megahercev. Pri takem visokofrekvenčnem preklopnem modulu so taktike oblikovanja tiskanih vezij bistveno bolj pomembne in jih oblikovalec včasih spregleda. Na primer, slaba zasnova PCB bi lahko privedla do okvare celotnega vezja, prav tako pa lahko dobro zasnovana PCB reši številne neprijetne dogodke.

Splošno pravilo je, da bo ta vadnica zagotovila nekaj podrobnih vidikov pomembnih smernic za postavitev tiskanih vezij, ki so bistvenega pomena za kakršno koli oblikovanje tiskanih vezij na osnovi napajalnega stikala. Ogledate si lahko tudi tehnike oblikovanja za zmanjšanje EMI v vezjih SMPS.

Najprej je treba za načrtovanje napajalnega stikala imeti jasen prikaz zahtev in specifikacij vezja. Napajalnik ima štiri pomembne dele.

Vhodni in izhodni filtri.
Vozniško vezje in pripadajoče komponente za voznika, zlasti krmilno vezje.
Preklopni induktorji ali transformatorji
Izhodni most in s tem povezani filtri.

Pri zasnovi PCB je treba vse te segmente ločiti v PCB in jim je treba nameniti posebno pozornost. V tem članku bomo podrobno obravnavali vsak segment.

Smernice za vhodne in povezane filtre

Na vhodu in odseku filtra se v vezje priključijo hrupni ali neurejeni napajalni vodi. Zato morajo biti kondenzatorji vhodnega filtra nameščeni v enakomerni razdalji od vhodnega konektorja in vezja gonilnika. Za povezavo vhodnega odseka z vezjem gonilnika je vedno treba uporabiti kratko dolžino povezave.

Označeni odseki na zgornji sliki predstavljajo tesno namestitev kondenzatorjev filtra.

Smernice za gonilniško vezje in krmilno vezje

Gonilnik je v glavnem sestavljen iz notranjega MOSFET-a ali včasih je preklopni MOSFET zunanje povezan. Preklopna linija se vedno vklopi in izklopi pri zelo visokih frekvencah in ustvari zelo hrupno napajalno linijo. Ta del mora biti vedno ločen od vseh drugih povezav.

Ločiti je treba na primer visokonapetostni enosmerni vod, ki gre neposredno v transformator (za povratni SMPS), ali enosmerni vod, ki gre neposredno v močnostni induktor (stikalni regulatorji na osnovi topologije Buck ali Boost).

Na spodnji sliki je označeni signal visokonapetostni enosmerni vod. Signal je usmerjen tako, da je ločen od drugih signalov.

Ena izmed najglasnejših linij v zasnovi stikalnega napajanja je izpustni zatič gonilnika, ne glede na to, ali gre za zasnovo izmeničnega toka v enosmerni tok ali pa je v stikalnem napajalniku z nizko porabo, ki temelji na topologiji, povečanju ali povečanju toka. oblikovanje. Vedno ga je treba ločiti od vseh drugih povezav in biti tudi zelo kratek, saj tovrstne usmeritve običajno prenašajo zelo visokofrekvenčne signale. Najboljši način, da to signalno črto izoliramo od drugih, je uporaba izreza PCB z uporabo rezkalnih ali dimenzijskih plasti.

Na spodnji sliki je prikazana izolirana povezava odtočnega zatiča, ki ima varno razdaljo od opto-spojnice in izrezan PCB odstrani morebitne motnje drugih vodov ali signalov.

Druga pomembna točka je, da ima gonilniško vezje skoraj vedno povratno zvezo ali zaznano linijo (nekajkrat več kot ena, kot je linija zaznavanja vhodne napetosti, izhodna zaznavna črta), ki je zelo občutljiva in delovanje voznika je v celoti odvisno od zaznavanja povratnih informacij. Kakršna koli povratna informacija ali čutna črta mora biti krajša, da se izognemo hrupu. Te vrste vodov je vedno treba ločiti od napajalnih, preklopnih ali drugih hrupnih vodov.

Spodnja slika prikazuje ločeno povratno črto od optičnega sklopnika do gonilnika.

Ne samo to, lahko ima tudi vezje gonilnika več vrst komponent, kot so kondenzatorji, RC filtri, ki so potrebni za nadzor delovanja vezja gonilnika. Te sestavne dele je treba namestiti tesno čez voznik.

Smernice za preklopne induktorje in transformatorje

Preklopni induktor je po obsežnih kondenzatorjih največja razpoložljiva komponenta v kateri koli napajalni plošči. Ena slaba zasnova je usmerjanje kakršne koli povezave med kabli induktorja. Bistveno je, da ne usmerjate nobenih signalov med močmi ali blazinicami induktorskih filtrov.

Kadar se transformatorji uporabljajo v napajalniku, zlasti v AC-DC SMPS, je glavna uporaba tega transformatorja izolacija vhoda z izhodom. Potrebna je ustrezna razdalja med primarnimi in sekundarnimi blazinicami. Eden najboljših načinov za povečanje plazenja je uporaba rezanja PCB z uporabo rezkalne plasti. Nikoli ne uporabljajte kakršnega koli vodenja med kabli transformatorja.

Smernice za izhodni most in odsek filtra

Izhodni most je visokotokovna Schottkyjeva dioda, ki odvaja toploto, odvisno od toka obremenitve. V nekaj primerih so potrebni hladilniki PCB, ki jih je treba ustvariti v sami PCB z uporabo bakrene ravnine. Učinkovitost hladilnega telesa je sorazmerna s površino bakra in debelino bakra.

V PCB-jih sta navadno na voljo dve vrsti debeline bakra, 35 mikronov in 70 mikronov. Večja debelina, boljša toplotna povezljivost in PCB odvod toplote območje se skrajša. Če je PCB dvoslojni in ogrevan prostor v PCB-ju nekoliko ni na voljo, lahko uporabimo obe strani bakrene ravnine in lahko ti dve strani povežemo s skupnimi vijaki.

Spodnja slika je primer hladilnika PCB Schottkyjeve diode, ki je ustvarjen v spodnjem sloju.

Kondenzator filtra takoj po Schottkyjevi diodi je treba namestiti zelo tesno čez transformator ali preklopni induktor tako, da postane napajalna zanka skozi induktor, mostno diodo in kondenzator zelo kratka. Na ta način lahko zmanjšamo izhodno valovanje.

Zgornja slika je primer kratke zanke od izhoda transformatorja do mostne diode in kondenzatorja filtra.

Zmanjšanje odbijanja tal za postavitve PCB SMPS

Prvič, polnjenje tal je bistvenega pomena in ločevanje različnih ozemljitvenih ravnin v napajalnem vezju je še ena najpomembnejših stvari.

S perspektive vezja ima lahko preklopno napajanje eno skupno podlago za vse sestavne dele, v fazi načrtovanja PCB pa ni tako. Glede na perspektivo zasnove PCB je tla ločena na dva dela. Prvi del je ozemljitveni, drugi del pa analogni ali kontrolni. Ta dva razloga imata enako povezavo, vendar obstaja velika razlika. Analogno ali krmilno ozemljitev uporabljajo komponente, povezane z gonilniškim vezjem. Te komponente uporabljajo ozemljitveno ploščo, ki ustvarja povratno pot z nizkim tokom, po drugi strani pa močnostna tla nosi povratno pot z visokim tokom. Napajalne komponente so hrupne in bi lahko povzročile negotove odbijanja tal v krmilnem vezju, če so neposredno povezane v isti tleh. Spodnja slika prikazuje, kako je analogno in krmilno vezje v enoslojni PCB popolnoma izolirano od drugih daljnovodov PCB.

Ta dva dela je treba ločiti in povezati v določeni regiji.

To je enostavno, če je PCB dvoslojni, kot je zgornji sloj mogoče uporabiti kot krmilno ozemljitev, vsa krmilna vezja pa morajo biti povezana v skupno ozemljitveno ravnino v zgornjem sloju. Po drugi strani pa lahko spodnjo plast uporabimo kot napajalno ozemljitev in vse hrupne komponente bi morale uporabljati to ozemljitveno ploščo. Toda ta dva razloga sta enaka povezava in povezana v shemi. Zdaj lahko za povezavo zgornje in spodnje plasti vias uporabimo za povezovanje obeh talnih ravnin na enem mestu. Na primer, glejte spodnjo sliko -

Zgornji del gonilnika ima vse kondenzatorje, povezane z močnostnim filtrom, ki uporabljajo ozemljitveno ploščo, ki se ločeno imenuje Power GND, vendar so spodnji del IC gonilnika vsi krmilni elementi, ki uporabljajo ločen krmilni GND. Oba razloga sta enaka, vendar ločeno ustvarjena. Nato sta se povezavi GND povezali preko gonilniške IC.

Sledite standardom IPC

Upoštevajte smernice in pravila PCB v skladu s standardom za oblikovanje PCB IPC. To vedno zmanjša verjetnost napak, če oblikovalec upošteva standard za načrtovanje PCB, opisan v IPC2152 in IPC-2221B. V glavnem ne pozabite, da širina sledi neposredno vpliva na temperaturo in trenutno nosilnost. Zato lahko napačna širina sledi povzroči zvišanje temperature in slab tok toka.

Razmik med dvema sledi, je pomembno tudi, da se prepreči negotovo napako ali presluh, včasih crossfires v visoki trenutni uporabi visoke napetosti. IPC-9592B opisuje priporočeni razmik med električnimi vodi v zasnovi PCB, ki temelji na napajanju.

Kelvinova povezava za Sense Line

Kelvinova povezava je še en pomemben parameter pri zasnovi napajalne plošče zaradi natančnosti merjenja, ki vpliva na sposobnost krmilnega vezja. Krmilno vezje napajalnika vedno zahteva nekakšne meritve, pa naj bo to zaznavanje toka ali napetost v povratni ali zaznavalni liniji. To zaznavanje je treba izvesti s kablov komponente tako, da drugi signali ali sledi ne motijo čutne črte. Kelvinova povezava pomaga pri doseganju istega, če je čutna črta diferencialni par, mora biti dolžina enaka tako za sledi kot za sled, ki se mora povezati med vodniki komponent.

Na primer, Kelvinova povezava je pravilno opisana v smernicah za oblikovanje tiskanih vezij krmilnikov moči Texas Instruments.

Zgornja slika prikazuje pravilno zaznavanje toka s pomočjo Kelvinove povezave. Pravilna povezava je pravilna povezava kelvin, ki bo bistvena za smiselno načrtovanje vodov. V tem dokumentu je pravilno navedena tudi postavitev tiskanega vezja.

Postavitev tiskanega vezja prikazuje tesno povezavo med keramičnim kondenzatorjem 10nF in 1nF preko IC gonilnika ali krmilnika. Tudi linija Sense odraža pravilno kelvinsko povezavo. Notranja napajalna plast je ločena izvorna linija, ki je povezana z enakimi, vendar ločenimi izvornimi linijami z več vijami za zmanjšanje hrupa.