Рекомендации по проектированию макетов печатных плат для импульсных цепей питания

Импульсный источник питания - широко используемая топология источников питания в силовой электронике. Будь то сложный станок с ЧПУ или компактное электронное устройство, если устройство подключено к источнику питания, всегда обязательна схема SMPS. Неправильный или неисправный блок питания может привести к серьезному отказу продукта независимо от того, насколько хорошо спроектирована и функциональна схема. Мы уже разработали довольно много схем источника питания SMPS, таких как SMPS 12 В 1 А и SMPS 5 В 2 А, используя интеграцию питания и микросхему контроллера Viper соответственно.

Каждый импульсный источник питания использует переключатель, такой как полевой МОП-транзистор или силовой транзистор, который постоянно включается или выключается в зависимости от спецификации импульсного драйвера. Частота переключения этого состояния включения и выключения находится в диапазоне от нескольких сотен килогерц до мегагерц. В таком высокочастотном коммутационном модуле тактика проектирования печатной платы гораздо важнее, и разработчик иногда ее не замечает. Например, плохая конструкция печатной платы может привести к отказу всей схемы, а хорошо спроектированная печатная плата может решить множество неприятных событий.

Как общее практическое правило, это руководство предоставит некоторые подробные аспекты важных рекомендаций по компоновке печатной платы, которые необходимы для любого типа конструкции печатной платы на основе импульсных источников питания. Вы также можете ознакомиться с методами проектирования для снижения электромагнитных помех в схемах SMPS.

Во-первых, для разработки импульсного источника питания необходимо иметь четкое указание на требования к схемам и спецификации. Блок питания состоит из четырех важных частей.

1. Входные и выходные фильтры.
2. Схема драйвера и связанные компоненты для схемы управления драйвером.
3. Коммутационные катушки индуктивности или трансформаторы
4. Выходной мост и связанные фильтры.

В конструкции печатной платы все эти сегменты должны быть разделены на печатной плате и требуют особого внимания. Мы подробно обсудим каждый сегмент в этой статье.

Рекомендации для входных и связанных фильтров

Вход и секция фильтра - это место, где в цепь подключаются шумные или нерегулируемые линии питания. Следовательно, конденсаторы входного фильтра должны быть расположены на равном расстоянии от входного разъема и схемы драйвера. Важно всегда использовать короткую длину соединения для соединения секции ввода со схемой драйвера.

Выделенные участки на изображении выше представляют близкое расположение конденсаторов фильтра.

Рекомендации по схеме драйвера и цепи управления

Драйвер в основном состоит из внутреннего полевого МОП-транзистора или иногда переключающий полевой МОП-транзистор подключается извне. Линия переключения всегда включается и выключается с очень высокой частотой и создает очень шумную линию питания. Эта часть всегда должна быть отделена от всех других подключений.

Например, линия постоянного тока высокого напряжения, которая напрямую идет к трансформатору (для импульсных ИИП с обратным ходом), или линия постоянного тока, которая напрямую идет к силовому дросселю (импульсные стабилизаторы на основе понижающей или повышающей топологии), должны быть разделены.

На изображении ниже выделенный сигнал - это линия постоянного тока высокого напряжения. Сигнал маршрутизируется таким образом, что он отделен от других сигналов.

Одной из самых шумных линий в конструкции импульсного источника питания является вывод стока драйвера, независимо от того, является ли это конструкция с обратным ходом переменного тока в постоянный или это может быть импульсный источник питания с понижающей, повышающей или понижающей топологией. дизайн. Он всегда должен быть отделен от всех других соединений, а также должен быть очень коротким, потому что этот тип маршрутизации обычно передает очень высокочастотные сигналы. Лучший способ изолировать эту сигнальную линию от других - использовать вырез в печатной плате с помощью фрезеровки или размерных слоев.

На изображении ниже показано изолированное соединение сливного штыря, которое находится на безопасном расстоянии от оптопары, а вырез в печатной плате устранит любые помехи от других маршрутов или сигналов.

Другой важный момент заключается в том, что схема драйвера почти всегда имеет линию обратной связи или считывающую линию (в несколько раз больше, чем одна, такая как линия считывания входного напряжения, линия считывания выходного сигнала), которая очень чувствительна, и работа драйвера полностью зависит от считывания обратной связи. Любой вид обратной связи или сенсорной линии должен быть короче, чтобы избежать помех. Эти типы линий всегда необходимо отделить от линий питания, коммутации или любых других шумных линий.

На изображении ниже показана отдельная линия обратной связи от оптопары к драйверу.

Не только это, но и схема драйвера может также иметь несколько типов компонентов, таких как конденсаторы, RC-фильтры, которые необходимы для управления работой схемы драйвера. Эти компоненты необходимо размещать вплотную к драйверу.

Рекомендации по коммутации индукторов и трансформаторов

Импульсный индуктор - самый большой доступный компонент на любой плате блока питания после громоздких конденсаторов. Один из плохих вариантов - проложить любое соединение между выводами индуктора. Это важно не направлять какие - либо сигналы между полномочиями или фильтром индуктором колодкой.

Кроме того, всякий раз, когда трансформаторы используются в источниках питания, особенно в импульсных источниках питания переменного и постоянного тока, основное применение этого трансформатора - изоляция входа от выхода. Требуется достаточное расстояние между первичными и вторичными площадками. Лучший способ увеличить путь утечки - это отрезать плату с помощью фрезерного слоя. Никогда не используйте никакую прокладку между выводами трансформатора.

Рекомендации по выходному мосту и секции фильтра

Выходной мост представляет собой сильноточный диод Шоттки, который рассеивает тепло в зависимости от тока нагрузки. В некоторых случаях требуются радиаторы для печатной платы, которые необходимо создать на самой печатной плате с помощью медной плоскости. Эффективность радиатора пропорциональна площади и толщине меди печатной платы.

Для печатных плат обычно доступны два типа толщины меди: 35 микрон и 70 микрон. Чем больше толщина, тем лучше термическое соединение и сокращается площадь радиатора печатной платы. Если печатная плата является двухслойной и нагретое пространство в печатной плате в некоторой степени недоступно, можно использовать обе стороны медной плоскости и соединить эти две стороны с помощью общих переходных отверстий.

На приведенном ниже изображении показан пример радиатора печатной платы диода Шоттки, созданного в нижнем слое.

Конденсатор фильтра сразу после диода Шоттки необходимо разместить очень близко к трансформатору или переключающему дросселю таким образом, чтобы контур питания через дроссель, мостовой диод и конденсатор стал очень коротким. Таким образом можно уменьшить пульсации на выходе.

На изображении выше показан пример короткого контура от выхода трансформатора до диода моста и конденсатора фильтра.

Уменьшение дребезга земли для макетов печатных плат SMPS

Во-первых, необходимо заполнение заземления, а разделение различных поверхностей заземления в цепи питания - еще одна важная вещь.

С точки зрения схемотехники импульсный источник питания может иметь одну общую землю для всех компонентов, но это не так на этапе проектирования печатной платы. С точки зрения дизайна печатной платы земля разделена на две части. Первая часть - это заземление, а вторая часть - аналоговая или контрольная земля.. Эти две земли имеют одинаковую связь, но есть большая разница. Аналоговая или контрольная земля используется компонентами, которые связаны со схемой драйвера. В этих компонентах используется заземляющая пластина, которая создает обратный путь с низким током, с другой стороны, заземление питания обеспечивает обратный путь с высоким током. Компоненты питания издают шум и могут привести к неопределенным проблемам с отскоком заземления в цепях управления, если они напрямую подключены к одной и той же земле. На изображении ниже показано, как аналоговая схема и схема управления полностью изолированы от других линий питания печатной платы в однослойной печатной плате.

Эти две части необходимо разделить и соединить в определенной области.

Это легко сделать, если печатная плата является двухслойной, например, верхний слой можно использовать в качестве заземления управления, а все схемы управления должны быть подключены к общей заземляющей пластине верхнего слоя. С другой стороны, нижний слой можно использовать в качестве заземления, и все шумные компоненты должны использовать эту пластину заземления. Но эти две земли представляют собой одно и то же соединение и соединены в схеме. Теперь для соединения верхнего и нижнего слоев можно использовать переходные отверстия для соединения обеих заземляющих плоскостей в одном месте. Например, см. Изображение ниже -

Вышеупомянутая часть драйвера имеет все конденсаторы, относящиеся к фильтру питания, которые используют заземляющую пластину, отдельно называемую Power GND, но нижняя часть драйвера IC - это все компоненты, связанные с управлением, использующие отдельный управляющий GND. Обе площадки представляют собой одну и ту же связь, но созданы отдельно. Оба соединения GND затем соединились через IC драйвера.

Следуйте стандартам IPC

Следуйте рекомендациям и правилам для печатных плат согласно стандарту проектирования печатных плат IPC. Это всегда сводит к минимуму вероятность ошибки, если разработчик следует стандарту проектирования печатных плат, описанному в IPC2152 и IPC-2221B. В основном помните, что ширина следов напрямую влияет на температуру и пропускную способность по току. Следовательно, неправильная ширина дорожек может привести к повышению температуры и плохому протеканию тока.

Расстояние между двумя следами также имеет важное значение, чтобы избежать неопределенной недостаточности или перекрестные помехи, иногда CrossFires в высоком применении тока высокого напряжения. IPC-9592B описывает рекомендуемое расстояние между линиями питания при проектировании печатной платы на основе источника питания.

Соединение Кельвина для Sense Line

Соединение в градусах Кельвина является еще одним важным параметром в конструкции платы источника питания из-за точности измерения, которая влияет на способность цепи управления. Схема управления источником питания всегда требует каких-либо измерений, будь то измерение тока или напряжения в линии обратной связи или считывающей линии. Это измерение должно выполняться от выводов компонентов таким образом, чтобы другие сигналы или дорожки не мешали чувствительной линии. Подключение по Кельвину помогает в достижении того же самого: если сенсорная линия представляет собой дифференциальную пару, длина должна быть одинаковой для обеих трасс, и трасса должна подключаться через выводы компонентов.

Например, соединение Кельвина должным образом описано в рекомендациях по проектированию печатных плат контроллеров мощности от Texas Instruments.

На изображении выше показано правильное определение тока с использованием соединения Кельвина. Правильное соединение - это правильное соединение в градусах Кельвина, которое будет иметь важное значение для дизайна сенсорной линии. Компоновка печатной платы также правильно представлена ​​в этом документе.

Компоновка печатной платы показывает тесную связь между керамическими конденсаторами 10 нФ и 1 нФ через микросхему драйвера или контроллера. Линия Sense также отражает правильное соединение в градусах Кельвина. Внутренний слой питания представляет собой отдельную линию истока, которая соединена с теми же, но отдельными линиями истока с использованием нескольких переходных отверстий для уменьшения шумовой связи.