Pcb jungimo režimo maitinimo grandinių išdėstymo projektavimo gairės

Perjungimo maitinimas yra plačiai naudojama maitinimo elektronikos maitinimo šaltinio topologija. Nesvarbu, ar tai gali būti sudėtinga CNC mašina, ar kompaktiškas elektroninis prietaisas, jei prietaisas yra prijungtas prie tam tikro maitinimo šaltinio, visada būtina naudoti SMPS grandinę. Netinkamas ar sugedęs maitinimo blokas gali sukelti didelį gaminio gedimą, neatsižvelgiant į tai, kaip gerai suprojektuota ir funkcinė grandinė. Mes jau suprojektavome nemažai SMPS maitinimo grandinių, tokių kaip 12V 1A SMPS ir 5V 2A SMPS, naudodami atitinkamai „Power Integration“ ir „Viper“ valdiklio IC.

Kiekvienas perjungimo maitinimo šaltinis naudoja tokį jungiklį kaip MOSFET arba maitinimo tranzistorius, kuris nuolat įjungiamas arba išjungiamas, atsižvelgiant į perjungimo tvarkyklės specifikaciją. Šios įjungimo ir išjungimo būsenos perjungimo dažnis svyruoja nuo kelių šimtų kilohercų iki megahercų. Tokiame aukšto dažnio perjungimo modulyje PCB projektavimo taktika yra kur kas svarbesnė ir dizaineris kartais nepastebi. Pavyzdžiui, netinkamas PCB dizainas gali sukelti visos grandinės gedimą, o gerai suprojektuota PCB gali išspręsti daug nemalonių įvykių.

Kaip bendra taisyklė, šioje pamokoje bus pateikti keli išsamūs svarbių PCB dizaino išdėstymo gairių aspektai, kurie yra būtini bet kokio tipo perjungimo režimu maitinant pagrįstą PCB. Taip pat galite susipažinti su EMS mažinimo SMPS grandinėse projektavimo metodikomis.

Pirmiausia, suprojektuojant perjungimo režimo maitinimo šaltinį, reikia aiškiai nurodyti grandinės reikalavimus ir specifikacijas. Maitinimo šaltinis turi keturias svarbias dalis.

1. Įvesties ir išvesties filtrai.
2. Vairuotojo schema ir susiję vairuotojo komponentai, ypač valdymo grandinė.
3. Perjungimo induktoriai arba transformatoriai
4. Išvesties tiltas ir susiję filtrai.

Kuriant PCB, visi šie segmentai turi būti atskirti PCB ir jiems reikia skirti ypatingą dėmesį. Kiekvieną segmentą išsamiai aptarsime šiame straipsnyje.

Įvesties ir susietų filtrų gairės

Įvesties ir filtro skyriuje triukšmingos ar nereguliuojamos maitinimo linijos prisijungia prie grandinės. Todėl įvesties filtro kondensatoriai turi būti tolygiai nutolę nuo įvesties jungties ir tvarkyklės grandinės. Prijungiant įvesties sekciją su vairuotojo grandine, visada reikia naudoti trumpą jungtį.

Ankstesniame paveikslėlyje paryškintos dalys rodo glaudų filtro kondensatorių išdėstymą.

Vairuotojo grandinės ir valdymo grandinės gairės

Vairuotojas daugiausia susideda iš vidinio MOSFET arba kartais perjungimo MOSFET yra prijungtas išoriškai. Perjungimo linija visada įjungiama ir išjungiama labai aukštu dažniu ir sukuriama labai triukšminga maitinimo linija. Ši dalis visada turi būti atskirta nuo visų kitų jungčių.

Pavyzdžiui, reikia atskirti aukštos įtampos nuolatinės srovės liniją, kuri eina tiesiai į transformatorių („Flyback SMPS“), arba nuolatinės srovės liniją, tiesiogiai einančią į maitinimo induktorių („Buck“ arba „Boost“ topologija pagrįstus perjungimo reguliatorius).

Žemiau esančiame paveikslėlyje paryškintas signalas yra aukštos įtampos nuolatinė linija. Signalas nukreipiamas taip, kad būtų atskirtas nuo kitų signalų.

Viena iš triukšmingiausių jungiklių režimo maitinimo šaltinių yra vairuotojo nutekėjimo kaištis, nesvarbu, ar tai yra kintamosios ar nuolatinės srovės grįžtamojo ryšio konstrukcija, ar tai gali būti „buck“, „boost“ ar „buck-boost“ topologija pagrįstas mažos galios perjungimo maitinimo šaltinis. dizainas. Jis visada turi būti atskirtas nuo visų kitų jungčių, taip pat turi būti labai trumpas, nes šio tipo maršrutai paprastai perduoda labai aukšto dažnio signalus. Geriausias būdas izoliuoti šią signalo liniją nuo kitų yra naudoti PCB išpjovą naudojant frezavimo arba matmenų sluoksnius.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta izoliuota išleidimo kaiščių jungtis, esanti saugiu atstumu nuo „Opto“ jungties, taip pat iškirptas PCB pašalins bet kokius kitų maršrutų ar signalų trukdžius.

Kitas svarbus dalykas yra tai, kad vairuotojo grandinėje beveik visada yra grįžtamoji arba aptikta linija (kartais daugiau nei viena, pvz., Įėjimo įtampos jutimo linija, išvesties jutimo linija), kuri yra labai jautri, o vairuotojo veikimas visiškai priklauso nuo jutimo jutimo. Bet kokia grįžtamojo ryšio ar jutimo linija turėtų būti trumpesnė, kad būtų išvengta triukšmo sukibimo. Šio tipo linijas visada reikia atskirti nuo maitinimo, perjungimo ar bet kokių kitų triukšmingų linijų.

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta atskira grįžtamojo ryšio linija nuo optrono iki tvarkyklės.

Maža to, vairuotojo grandinėje taip pat gali būti įvairių tipų komponentai, tokie kaip kondensatoriai, RC filtrai, reikalingi tvarkyklės grandinės operacijoms valdyti. Šiuos komponentus reikia laikyti šalia vairuotojo.

Induktorių ir transformatorių perjungimo gairės

Perjungimo induktorius yra didžiausias galimas bet kurios maitinimo plokštės komponentas po didelių kondensatorių. Vienas blogas dizainas yra nukreipti bet kokį ryšį tarp induktoriaus laidų. Būtina nenukreipti jokių signalų tarp maitinimo šaltinių ar filtro induktoriaus trinkelių.

Be to, kai transformatoriai naudojami maitinimo šaltinyje, ypač kintamosios srovės SMPS, pagrindinis šio transformatoriaus tikslas yra izoliuoti įvestį su išėjimu. Reikalingas pakankamas atstumas tarp pirminių ir antrinių pagalvėlių. Vienas geriausių būdų padidinti šliaužimą yra PCB ribos taikymas naudojant frezavimo sluoksnį. Niekada nenaudokite jokių transformatorių laidų.

Išvesties tilto ir filtro sekcijos gairės

Išėjimo tiltas yra didelės srovės Schottky diodas, kuris išsklaido šilumą, priklausomai nuo apkrovos srovės. Kai kuriais atvejais reikalingos PCB šilumos kriauklės, kurias reikia sukurti pačioje PCB naudojant vario plokštumą. Radiatoriaus efektyvumas yra proporcingas PCB vario plotui ir storiui.

PCB paprastai yra dviejų tipų vario storis: 35 mikronai ir 70 mikronų. Kuo didesnis storis, tuo geresnis šilumos sujungimas ir PCB šilumos kriauklės plotas sutrumpėja. Jei PCB yra dvigubas sluoksnis ir šildomoje erdvėje šiek tiek nėra PCB, galima naudoti abi vario plokštumos puses ir tas dvi puses būtų galima sujungti naudojant bendrąsias vijas.

Žemiau pateiktas paveikslėlis yra apatiniame sluoksnyje sukurto Schottky diodo radiatoriaus plokščių pavyzdys.

Filtro kondensatorių iškart po Schottky diodo reikia įdėti labai arti transformatoriaus ar perjungimo induktoriaus taip, kad maitinimo kilpa per induktorių, tiltinį diodą ir kondensatorių sutrumpėtų. Tokiu būdu išvesties bangą galima sumažinti.

Aukščiau pateiktas vaizdas yra trumpo kontūro pavyzdys iš transformatoriaus išėjimo į tiltinį diodą ir filtro kondensatorių.

„SMPS PCB Layouts“ sumažinimas

Pirma, žemės užpildymas yra būtinas, o maitinimo grandinėje atskirti skirtingas žemės plokštumas yra dar vienas svarbiausias dalykas.

Iš grandinės perspektyvos, komutacinis maitinimo šaltinis gali turėti vieną bendrą pagrindą visiems komponentams, tačiau taip nėra PCB projektavimo etape. Pagal PCB projektavimo perspektyvą gruntas yra padalintas į dvi dalis. Pirmoji dalis yra maitinimo įžeminimas, o antroji dalis yra analoginė arba valdymo žemė. Šiuos du pagrindus sieja tas pats ryšys, tačiau yra didelis skirtumas. Analoginį arba valdymo įžeminimą naudoja komponentai, susieti su vairuotojo grandine. Tie komponentai naudoja įžeminimo plokštumą, kuri sukuria mažos srovės grįžimo kelią, kita vertus, galios žemė atlieka didelę srovės grįžimo kelią. Maitinimo komponentai yra triukšmingi ir valdymo grandinėse gali kilti neaiškių problemų dėl žemės, jei jie yra tiesiogiai prijungti prie to paties žemės. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kaip analoginė ir valdymo grandinė yra visiškai izoliuota nuo kitų PCB maitinimo linijų vieno sluoksnio PCB.

Šias dvi dalis reikia atskirti ir jas reikia sujungti tam tikrame regione.

Tai lengva, jei PCB yra dvigubas sluoksnis, pavyzdžiui, viršutinis sluoksnis gali būti naudojamas kaip valdymo įžeminimas, o visos valdymo grandinės turėtų būti prijungtos bendroje viršutinio sluoksnio įžeminimo plokštumoje. Kita vertus, apatinis sluoksnis gali būti naudojamas kaip elektrinis įžeminimas, o visi triukšmingi komponentai turėtų naudoti šią įžeminimo plokštumą. Bet šie du pagrindai yra tas pats ryšys ir sujungtas schemoje. Dabar, norint sujungti viršutinį ir apatinį sluoksnius, kiaurymės gali būti naudojamos abiem žemės plokštumoms sujungti vienoje vietoje. Pavyzdžiui, žiūrėkite žemiau esantį vaizdą -

Pirmiau pateiktoje vairuotojo dalyje yra visi su maitinimo filtru susiję kondensatoriai, kurie naudoja įžeminimo plokštumą, atskirai vadinamą „Power GND“, tačiau žemiau esanti vairuotojo IC dalis yra visi su valdymu susiję komponentai, naudojant atskirą valdymo GND. Abu pagrindai yra tas pats ryšys, bet sukurtas atskirai. Tada abi GND jungtys sujungtos per tvarkyklės IC.

Laikykitės IPC standartų

Laikykitės PCB gairių ir taisyklių pagal IPC PCB projektavimo standartą. Tai visada sumažina klaidų tikimybę, jei dizaineris laikosi PCB projektavimo standarto, aprašyto IPC2152 ir IPC-2221B. Daugiausia atminkite, kad pėdsakų plotis tiesiogiai veikia temperatūrą ir srovės keliamąją galią. Todėl netinkamas pėdsakų plotis gali sukelti temperatūros padidėjimą ir blogą srovės srautą.

Tarpai tarp dviejų pėdsakų taip pat svarbu, kad būtų išvengta neaiškios nepakankamumas arba "Cross-Talk, kartais crossfires aukštos dabartinės aukštos įtampos taikymo. IPC-9592B apibūdina rekomenduojamą atstumą tarp maitinimo linijų projektuojant maitinimo šaltinį.

„Kelvin“ jungtis „Sense Line“

Kelvino jungtis yra dar vienas svarbus maitinimo plokščių projektavimo parametras, nes matavimo tikslumas turi įtakos valdymo grandinės gebėjimams. Maitinimo šaltinio valdymo grandinei visada reikalingi tam tikri matavimai, ar tai būtų srovės jutimas, ar įtampos jutimas grįžtamojo ryšio ar jutimo linijoje. Šis jutimas turėtų būti atliekamas iš komponentų laidų taip, kad kiti signalai ar pėdsakai netrukdytų jutimo linijai. „Kelvin“ ryšys padeda pasiekti tą patį, jei jutimo linija yra diferencinė pora, ilgis turi būti vienodas tiek pėdsakams, tiek pėdsakai turėtų jungtis per komponentų laidus.

Pavyzdžiui, „Kelvin“ jungtis yra tinkamai aprašyta „Teksaso instrumentų“ valdiklių valdiklių PCB projektavimo gairėse.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje rodomas tinkamas srovės jutimas naudojant Kelvino jungtį. Teisingas ryšys yra tinkamas kelvino ryšys, kuris bus būtinas jutimo linijos projektavimui. PCB išdėstymas taip pat tinkamai pateiktas tame dokumente.

PCB išdėstymas rodo glaudų ryšį tarp 10nF ir 1nF keramikos kondensatorių per tvarkyklės arba valdiklio IC. „Sense“ linija taip pat atspindi tinkamą kelvino jungtį. Vidinis maitinimo sluoksnis yra atskira šaltinio linija, sujungta su tomis pačiomis, bet atskirtomis šaltinio linijomis, naudojant daugybę vijų, kad būtų sumažintas triukšmo sujungimas.