Pokyny pre návrh usporiadania PCB pre spínané napájacie obvody

Spínaný napájací zdroj je široko používanou topológiou napájacieho zdroja v výkonovej elektronike. Či už to môže byť komplikovaný CNC stroj alebo kompaktné elektronické zariadenie, ak je zariadenie pripojené k nejakému zdroju napájania, obvod SMPS je vždy povinný. Nesprávne alebo chybné napájanie môže viesť k veľkej poruche produktu bez ohľadu na to, ako dobre je obvod navrhnutý a funkčný. Už sme navrhli niekoľko obvodov napájania SMPS, ako napríklad 12V 1A SMPS a 5V 2A SMPS, ktoré používajú integrovanú reguláciu napájania a Viper.

Každý spínaný napájací zdroj používa prepínač ako MOSFET alebo výkonový tranzistor, ktorý sa neustále zapína alebo vypína v závislosti od špecifikácie spínacieho vodiča. Frekvencia spínania tohto stavu ZAPNUTÉ a VYPNUTÉ sa pohybuje v rozmedzí od niekoľkých stoviek kilohertzov do megahertzov. V takomto vysokofrekvenčnom spínacom module je oveľa dôležitejšia taktika návrhu DPS a dizajnér ju niekedy prehliada. Napríklad zlá konštrukcia PCB by mohla viesť k poruche celého obvodu a rovnako dobre navrhnutá PCB by mohla vyriešiť veľa nepríjemných udalostí.

Ako všeobecné pravidlo tento tutoriál poskytne niektoré podrobné aspekty dôležitých pokynov pre usporiadanie návrhu plošných spojov, ktoré sú nevyhnutné pre akýkoľvek druh návrhu plošných spojov na báze napájacieho zdroja v režime prepínania. Môžete si tiež pozrieť návrhové techniky na zníženie EMI v obvodoch SMPS.

Najprv je potrebné navrhnúť napájací zdroj v režime prepínania, ktorý musí obsahovať jasnú informáciu o požiadavkách na obvod a jeho špecifikáciách. Napájací zdroj má štyri dôležité časti.

Vstupné a výstupné filtre.
Obvody vodiča a súvisiace komponenty pre vodič, najmä riadiaci obvod.
Spínané tlmivky alebo transformátory
Výstupný mostík a príslušné filtre.

V dizajne DPS musia byť všetky tieto segmenty oddelené od DPS a je potrebné venovať osobitnú pozornosť. V tomto článku sa budeme podrobne venovať každému segmentu.

Pokyny pre vstupné a súvisiace filtre

Vstupná a filtračná časť je miestom, kde sa do obvodu pripájajú hlučné alebo neregulované napájacie vedenia. Preto musia byť vstupné filtračné kondenzátory umiestnené v rovnomerne vzdialenej vzdialenosti od vstupného konektora a budiaceho obvodu. Pre pripojenie vstupnej časti k obvodu vodiča je nevyhnutné vždy použiť krátku dĺžku pripojenia.

Zvýraznené časti na obrázku vyššie predstavujú tesné umiestnenie filtračných kondenzátorov.

Pokyny pre obvody vodiča a ovládacie obvody

Ovládač sa skladá hlavne z interného MOSFETu alebo niekedy je spínací MOSFET pripojený externe. Spínacie vedenie sa vždy zapína a vypína vo veľmi vysokej frekvencii a vytvára veľmi hlučné napájacie vedenie. Táto časť musí byť vždy oddelená od všetkých ostatných pripojení.

Napríklad by malo byť oddelené vysokonapäťové jednosmerné vedenie, ktoré smeruje priamo do transformátora (For flyback SMPS), alebo jednosmerné vedenie, ktoré priamo smeruje do výkonového induktora (spínacie regulátory založené na topológii Buck alebo Boost).

Na nasledujúcom obrázku je zvýraznený signál vysokonapäťové jednosmerné vedenie. Signál je smerovaný takým spôsobom, že je oddelený od ostatných signálov.

Jedným z najhlučnejších vedení v dizajne prepínaného napájacieho zdroja je odtokový kolík budiča, či už ide o flyback so striedavým prúdom od AC do DC alebo to môže byť nízkoenergetický spínaný napájací zdroj založený na buck, boost alebo buck-boost topológii dizajn. Vždy musí byť oddelené od všetkých ostatných pripojení, rovnako ako musí byť veľmi krátke, pretože tento typ smerovania zvyčajne prenáša veľmi vysokofrekvenčné signály. Najlepším spôsobom, ako izolovať toto signálne vedenie od ostatných, je použiť výrez na DPS pomocou frézovacích alebo rozmerových vrstiev.

Na nasledujúcom obrázku je zobrazené izolované pripojenie odtokového kolíka, ktoré má bezpečnú vzdialenosť od optočlenu, ako aj výrez plošného spoja odstráni akékoľvek rušenie z iných smerovaní alebo signálov.

Ďalším dôležitým bodom je, že budiaci obvod má takmer vždy spätnú väzbu alebo snímanú linku (niekedy viac ako jednu, napríklad linku snímania vstupného napätia, linku snímania výstupu), ktorá je veľmi citlivá a činnosť vodiča je úplne závislá od snímania spätnej väzby. Akýkoľvek druh spätnej väzby alebo snímacej čiary by mali mať kratšiu dĺžku, aby sa zabránilo spojeniu proti šumu. Tieto typy vedení musia byť vždy oddelené od silových, spínacích alebo iných hlučných vedení.

Na nasledujúcom obrázku je zobrazená samostatná linka spätnej väzby od optočlenu po vodič.

Nielen to, ale aj obvod vodiča môže mať tiež viac druhov komponentov, ako sú kondenzátory, RC filtre, ktoré sú potrebné na riadenie činnosti obvodu vodiča. Tieto komponenty musia byť umiestnené tesne cez vodič.

Pokyny pre prepínanie induktorov a transformátorov

Spínaný induktor je po objemných kondenzátoroch najväčšou dostupnou súčasťou v ktorejkoľvek doske napájania. Jedným zlým návrhom je vedenie ľubovoľného druhu spojenia medzi vodičmi induktora. Je bezpodmienečne nemenovať žiadne signály medzi silami alebo filtračnými indukčnými doštičkami.

Kedykoľvek sa transformátory používajú v napájacom zdroji, najmä v AC-DC SMPS, je hlavným účelom tohto transformátora izolácia vstupu od výstupu. Vyžaduje sa adekvátna vzdialenosť medzi primárnou a sekundárnou vložkou. Jedným z najlepších spôsobov, ako zvýšiť povrchovú úpravu, je použitie medznej hodnoty pre plošné spoje pomocou frézovacej vrstvy. Medzi vodičmi transformátora nikdy nepoužívajte žiadne vedenie.

Pokyny pre výstupný mostík a sekciu filtra

Výstupný mostík je vysokoprúdová Schottkyho dióda, ktorá odvádza teplo v závislosti od zaťažovacieho prúdu. V niekoľkých prípadoch sú potrebné chladiče PCB, ktoré je potrebné vytvoriť na samotnej doske plošných spojov pomocou medenej roviny. Účinnosť chladiča je úmerná medenej ploche a hrúbke PCB.

V PCB sú bežne dostupné dva typy hrúbky medi, 35 mikrónov a 70 mikrónov. Čím vyššia je hrúbka, tým lepšie je tepelné pripojenie a plocha chladiča PCB sa skráti. Ak je PCB dvojvrstvová a vykurovaný priestor na PCB nie je k dispozícii, je možné použiť obe strany medenej roviny a tieto dve strany by bolo možné spojiť pomocou bežných priechodiek.

Nasledujúci obrázok je príkladom chladiča DPS Schottkyho diódy, ktorý je vytvorený v spodnej vrstve.

Filtračný kondenzátor hneď za Schottkyho diódou musí byť umiestnený veľmi blízko transformátora alebo spínacieho induktora tak, aby sa prívodná slučka cez induktor, mostíkovú diódu a kondenzátor veľmi skrátila. Týmto spôsobom je možné znížiť výstupné zvlnenie.

Vyššie uvedený obrázok je príkladom krátkej slučky od výstupu transformátora po mostíkovú diódu a filtračný kondenzátor.

Zníženie odrazu od zeme pre rozloženie plošných spojov SMPS

Po prvé, plnenie zeme je nevyhnutné a oddelenie rôznych uzemňovacích rovín v obvode napájania je ďalšou najdôležitejšou vecou.

Z pohľadu obvodov môže mať spínací zdroj napájania pre všetky komponenty spoločnú zem, ale neplatí to počas fázy návrhu PCB. Podľa perspektívy návrhu DPS je zem rozdelená na dve časti. Prvá časť je uzemnenie napájania a druhá časť je analógové alebo riadiace uzemnenie. Tieto dva dôvody majú rovnaké spojenie, je tu však veľký rozdiel. Analógové alebo riadiace uzemnenie používajú komponenty, ktoré sú spojené s obvodom budiča. Tieto komponenty používajú uzemňovaciu rovinu, ktorá vytvára spätnú cestu s nízkym prúdom, na druhej strane silová zem nesie spätnú cestu s vysokým prúdom. Silové komponenty sú hlučné a mohli by viesť k neistým problémom s odrazom od zeme v riadiacich obvodoch, ak sú priamo pripojené k rovnakému uzemneniu. Nasledujúci obrázok ukazuje, ako sú analógové a riadiace obvody úplne izolované od ostatných elektrických vedení plošného spoja v jednej vrstve plošného spoja.

Tieto dve časti musia byť oddelené a mali by byť spojené v konkrétnej oblasti.

To je ľahké, ak je PCB dvojitá vrstva, pretože vrchnú vrstvu je možné použiť ako riadiace uzemnenie a všetky riadiace obvody by mali byť pripojené v spoločnej zemnej rovine v hornej vrstve. Na druhej strane môže byť spodná vrstva použitá ako napájacie uzemnenie a všetky hlučné komponenty by mali využívať túto zemnú rovinu. Ale tieto dva dôvody sú rovnaké a spojené v schéme. Teraz, na spojenie vrchnej a spodnej vrstvy, je možné použiť priechodky na spojenie oboch pozemných rovín na jednom mieste. Napríklad pozri obrázok nižšie -

Vyššie uvedená časť budiča má všetky kondenzátory súvisiace s výkonovým filtrom, ktoré používajú základnú rovinu osobitne nazývanú Power GND, ale spodná časť integrovaného obvodu budiča sú všetky komponenty súvisiace s riadením a používajú samostatný riadiaci GND. Oba dôvody sú rovnaké, ale sú vytvorené osobitne. Obidve spojenie GND sa potom pripojilo cez IC vodiča.

Postupujte podľa štandardov IPC

Postupujte podľa pokynov a pravidiel PCB podľa konštrukčného štandardu IPC PCB. Toto vždy minimalizuje pravdepodobnosť chyby, ak sa návrhár riadi dizajnovým štandardom PCB popísaným v IPC2152 a IPC-2221B. Pamätajte hlavne na to, že šírka stôp priamo ovplyvňuje teplotu a prúdovú kapacitu. Preto nesprávna šírka stôp môže viesť k zvýšeniu teploty a zlému prietoku prúdu.

Vzdialenosť medzi dvoma stopami je tiež dôležitá, aby sa zabránilo neistote pri poruche alebo pri vzájomnom rozhovore, niekedy pri rôznych silnoprúdových aplikáciách vysokého napätia. IPC-9592B popisuje odporúčané rozstupy medzi elektrickými vedeniami v dizajne PCB založenom na napájaní.

Kelvinove pripojenie pre Sense Line

Kelvinovo pripojenie je ďalším dôležitým parametrom v dizajne dosky napájacieho zdroja z dôvodu presnosti merania, ktorá ovplyvňuje schopnosť riadiaceho obvodu. Ovládací obvod napájacieho zdroja vždy vyžaduje určitý druh meraní, či už je to snímanie prúdu alebo snímanie napätia v spätnoväzbovej alebo snímacej linke. Toto snímanie by sa malo uskutočňovať z komponentných vodičov takým spôsobom, aby iné signály alebo stopy nezasahovali do snímacej čiary. Kelvinovo spojenie pomáha dosiahnuť to isté, ak je snímacia čiara diferenciálny pár, dĺžka musí byť rovnaká pre obidve stopy a stopa by sa mala pripájať cez jednotlivé komponenty.

Napríklad pripojenie Kelvina je správne popísané v pokynoch pre návrh plošných spojov výkonových radičov od spoločnosti Texas Instruments.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje správne snímanie prúdu pomocou Kelvinovho spojenia. Správne pripojenie je správne pripojenie kelvínu, ktoré bude nevyhnutné pre návrh snímkovej čiary. V tomto dokumente je správne uvedené aj rozloženie PCB.

Usporiadanie PCB ukazuje úzke spojenie medzi keramickým kondenzátorom 10nF a 1nF cez integrovaný obvod vodiča alebo radiča. Linka Sense tiež odráža správne pripojenie kelvínu. Vnútorná výkonová vrstva je oddelené zdrojové vedenie, ktoré je spojené s rovnakými, ale oddelenými zdrojovými vedeniami pomocou viacerých priechodov na zníženie spojenia šumu.