PCB izkārtojuma dizaina vadlīnijas komutatora režīma barošanas ķēdēm

Komutācijas barošanas avots ir strāvas elektronikā plaši izmantota barošanas avota topoloģija. Neatkarīgi no tā, vai tā var būt sarežģīta CNC mašīna vai kompakta elektroniska ierīce, ja vien ierīce ir pievienota kaut kādam strāvas avotam, vienmēr ir nepieciešama SMPS shēma. Nepareiza vai bojāta strāvas padeves ierīce var izraisīt lielu produkta atteici neatkarīgi no tā, cik labi izstrādāta un funkcionāla var būt ķēde. Mēs jau esam izstrādājuši diezgan daudz SMPS barošanas ķēžu, piemēram, 12V 1A SMPS un 5V 2A SMPS, izmantojot attiecīgi Power Integration un Viper kontrollera IC.

Katrā komutācijas barošanas avotā tiek izmantots slēdzis, piemēram, MOSFET vai strāvas tranzistors, kas pastāvīgi tiek ieslēgts vai izslēgts atkarībā no komutācijas draivera specifikācijas. Šī ieslēgšanas un izslēgšanas stāvokļa pārslēgšanās frekvence svārstās no dažiem simtiem kilohercu līdz megahercu diapazonam. Šādā augstfrekvences komutācijas modulī PCB dizaina taktika ir daudz būtiskāka, un dizaineris to dažkārt neņem vērā. Piemēram, slikta PCB konstrukcija var izraisīt visas ķēdes kļūmi, kā arī labi izstrādāta PCB varētu atrisināt daudz nepatīkamu notikumu.

Kā vispārējs īkšķis, šī apmācība sniegs dažus detalizētus svarīgu PCB dizaina izkārtojuma vadlīniju aspektus, kas ir būtiski jebkura veida komutācijas režīma barošanas avota PCB dizainam. Varat arī apskatīt EMI samazināšanas projektēšanas paņēmienus SMPS shēmās.

Pirmkārt, lai izveidotu komutācijas režīma barošanu, skaidri jānorāda shēmas prasības un specifikācijas. Barošanas blokam ir četras svarīgas daļas.

1. Ieejas un izvades filtri.
2. Vadītāja shēma un saistītie komponenti vadītājam, jo ​​īpaši vadības ķēde.
3. Indukcijas induktori vai transformatori
4. Output Bridge un saistītie filtri.

PCB dizainā šie visi segmenti ir jānošķir PCB un tiem jāpievērš īpaša uzmanība. Šajā rakstā mēs detalizēti apspriedīsim katru segmentu.

Ievades un saistīto filtru vadlīnijas

Ieejas un filtra sekcija ir vieta, kur trokšņainas vai neregulētas barošanas līnijas tiek savienotas ķēdē. Tāpēc ieejas filtra kondensatoriem jābūt izvietotiem vienmērīgā attālumā no ieejas savienotāja un vadītāja ķēdes. Lai pievienotu ieejas daļu un vadītāja ķēdi, vienmēr jāizmanto īss savienojuma garums.

Izceltās sadaļas augšējā attēlā attēlo filtra kondensatoru tuvu izvietojumu.

Vadītāja shēmas un vadības ķēdes vadlīnijas

Vadītājs galvenokārt sastāv no iekšējā MOSFET vai dažreiz komutācijas MOSFET ir pievienots ārēji. Komutācijas līnija vienmēr tiek ieslēgta un izslēgta ļoti augstā frekvencē, un tā rada ļoti trokšņainu barošanas līniju. Šai daļai vienmēr jābūt nodalītai no visiem pārējiem savienojumiem.

Piemēram, būtu jānošķir augstsprieguma līdzstrāvas līnija, kas tieši virzās uz transformatoru (For flyback SMPS), vai līdzstrāvas līnija, kas tieši nonāk strāvas induktorā (Buck vai Boost topoloģijā balstīti komutācijas regulatori).

Zemāk redzamajā attēlā izceltais signāls ir augstsprieguma līdzstrāvas līnija. Signāls tiek virzīts tā, lai tas būtu atdalīts no citiem signāliem.

Viena no trokšņainākajām līnijām komutācijas režīma barošanas avota konstrukcijā ir vadītāja iztukšošanas tapa, neatkarīgi no tā, vai tā ir maiņstrāvas līdz līdzstrāvas atgriezeniskā saite, vai arī tā var būt buksēšana, palielināšana vai palielināšana uz topoloģiju balstītas mazjaudas komutācijas barošanas avots dizains. Tas vienmēr ir jānošķir no visiem pārējiem savienojumiem, kā arī tam jābūt ļoti īsam, jo ​​šāda veida maršrutēšana parasti ved ļoti augstas frekvences signālus. Labākais veids, kā izolēt šo signāla līniju no citiem, ir izmantot PCB izgriezumu, izmantojot frēzēšanas vai izmēru slāņus.

Zemāk redzamajā attēlā ir parādīts izolēts drenāžas tapas savienojums, kas atrodas drošā attālumā no Opto savienotāja, kā arī izgrieztā PCB novērsīs jebkādus traucējumus no citiem maršrutiem vai signāliem.

Vēl viens svarīgs aspekts ir tas, ka vadītāja ķēdē gandrīz vienmēr ir atgriezeniskā saite vai uztveramā līnija (dažreiz vairāk nekā viena, piemēram, ieejas sprieguma uztveršanas līnija, izejas maņu līnija), kas ir ļoti jutīga, un vadītāja darbība ir pilnībā atkarīga, uztverot atgriezenisko saiti. Jebkāda veida atgriezeniskās saites vai jutekļu līnijas garumam jābūt īsākam, lai izvairītos no trokšņa savienojuma. Šāda veida līnijas vienmēr ir jānošķir no strāvas, komutācijas vai citām trokšņainām līnijām.

Zemāk redzamajā attēlā ir redzama atsevišķa atgriezeniskās saites līnija no optrona līdz draiverim.

Ne tikai tas, bet arī vadītāja shēmai var būt arī vairāku veidu komponenti, piemēram, kondensatori, RC filtri, kas nepieciešami vadītāja shēmas darbību kontrolei. Šīs sastāvdaļas jānovieto cieši pāri vadītājam.

Vadlīnijas induktoru un transformatoru pārslēgšanai

Komutācijas induktors ir lielākais pieejamais komponents jebkurā barošanas blokā pēc lielgabarīta kondensatoriem. Viens slikts dizains ir jebkāda veida savienojuma novirzīšana starp induktora vadiem. Ir svarīgi nevirzīt nekādus signālus starp strāvas avotiem vai filtru induktora spilventiņiem.

Arī tad, kad strāvas avotā tiek izmantoti transformatori, it īpaši maiņstrāvas-maiņstrāvas SMPS, šī transformatora galvenā izmantošana ir ieejas izolēšana ar izeju. Nepieciešams pietiekams attālums starp primārajiem un sekundārajiem spilventiņiem. Viens no labākajiem veidiem, kā palielināt viļņošanos, ir PCB nogriešana, izmantojot frēzēšanas slāni. Nekad neizmantojiet jebkāda veida maršrutēšanu starp transformatora vadiem.

Vadlīnijas izvades tiltam un filtru sekcijai

Izejas tilts ir lielas strāvas Schottky diode, kas izkliedē siltumu atkarībā no slodzes strāvas. Dažos gadījumos ir nepieciešamas PCB siltuma izlietnes, kas jāizveido pašā PCB, izmantojot vara plakni. Siltuma izlietnes efektivitāte ir proporcionāla PCB vara laukumam un biezumam.

PCB parasti ir divu veidu vara biezums: 35 mikroni un 70 mikroni. Jo lielāks ir biezums, jo labāk saīsinās termiskā savienojamība un PCB siltuma izlietnes laukums. Ja PCB ir divkāršs slānis un apsildāmā telpa nedaudz nav pieejama PCB, var izmantot abas vara plaknes puses un šīs abas puses varētu savienot, izmantojot kopējas vias.

Zemāk redzamais attēls ir Schottky diode PCB radiatora piemērs, kas izveidots apakšējā slānī.

Filtra kondensators tūlīt pēc Schottky diode ir jānovieto ļoti cieši pāri transformatoram vai komutācijas induktoram tā, lai padeves cilpa caur induktoru, tilta diode un kondensatoru kļūtu ļoti īsa. Tādā veidā var samazināt izejas pulsāciju.

Iepriekš redzamais attēls ir īsās cilpas piemērs no transformatora izejas uz tilta diode un filtra kondensatoru.

Samazinot zemes atlēcienu SMPS PCB izkārtojumiem

Pirmkārt, zemes piepildīšana ir būtiska, un dažādu zemes plakņu atdalīšana barošanas ķēdē ir vēl viena vissvarīgākā lieta.

No shēmas viedokļa komutācijas barošanas avotam var būt vienots kopīgs pamats visām sastāvdaļām, bet tas tā nav PCB projektēšanas posmā. Saskaņā ar PCB dizaina perspektīvu zeme ir sadalīta divās daļās. Pirmā daļa ir strāvas zeme, bet otrā daļa ir analogā vai vadības zeme. Šiem diviem pamatiem ir tāda pati saistība, taču ir liela atšķirība. Analogo vai vadības zemi izmanto komponenti, kas saistīti ar vadītāja ķēdi. Šie komponenti izmanto iezemēto plakni, kas rada zemas strāvas atgriešanās ceļu, no otras puses, spēka zeme veic lielu strāvas atgriešanās ceļu. Strāvas komponenti ir trokšņaini un vadības ķēdēs var radīt neskaidras piezemēšanās problēmas, ja tās ir tieši savienotas vienā un tajā pašā zemē. Zemāk redzamajā attēlā parādīts, kā analogā un vadības shēma ir pilnībā izolēta no citām PCB barošanas līnijām viena slāņa PCB.

Šīs divas daļas ir jānošķir, un tām jābūt savienotām noteiktā reģionā.

Tas ir viegli, ja PCB ir divkāršs slānis, piemēram, augšējo slāni var izmantot kā vadības zemi un visām vadības ķēdēm jābūt savienotām kopējā augšējā slāņa iezemētajā plaknē. No otras puses, apakšējo slāni var izmantot kā elektrisko zemi, un visiem trokšņainajiem komponentiem jāizmanto šī iezemētā plakne. Bet šie divi iemesli ir vienādi saistīti un saistīti shēmā. Tagad, lai savienotu augšējo un apakšējo slāni, vias var izmantot, lai abas zemes plaknes savienotu vienā vietā. Piemēram, skatiet zemāk esošo attēlu -

Iepriekšminētajā draivera daļā ir visi ar jaudas filtru saistīti kondensatori, kas izmanto iezemēto plakni, ko atsevišķi sauc par Power GND, bet vadītāja IC apakšējā daļa ir visas ar vadību saistītās sastāvdaļas, izmantojot atsevišķu vadības GND. Abi iemesli ir viens un tas pats savienojums, bet atsevišķi izveidots. Pēc tam abi GND savienojumi savienojās visā draivera IC.

Ievērojiet IPC standartus

Ievērojiet PCB vadlīnijas un noteikumus saskaņā ar IPC PCB dizaina standartu. Tas vienmēr samazina kļūdu iespējamību, ja dizainers ievēro PCB dizaina standartu, kas aprakstīts IPC2152 un IPC-2221B. Galvenokārt atcerieties, ka pēdu platums tieši ietekmē temperatūru un strāvas nestspēju. Tāpēc nepareizs pēdu platums var izraisīt temperatūras paaugstināšanos un sliktu strāvas plūsmu.

Atstarpe starp diviem pēdas ir arī svarīgi, lai izvairītos no neskaidru mazspēju vai cross-talk, dažreiz crossfires augstas strāvas augstsprieguma pieteikumu. IPC-9592B apraksta ieteicamo atstarpi starp elektropārvades līnijām PCB projektēšanā, kura pamatā ir barošana.

Kelvina savienojums Sense Line

Kelvina savienojums ir vēl viens svarīgs parametrs strāvas padeves plāna konstrukcijā mērījumu precizitātes dēļ, kas ietekmē vadības ķēdes spēju. Barošanas avota vadības ķēdei vienmēr ir nepieciešami daži mērījumi, vai tas būtu strāvas vai sprieguma uztveršana atgriezeniskās saites vai sensora līnijā. Šī uztveršana jāveic no komponentu vadiem tā, lai citi signāli vai pēdas netraucētu maņu līnijai. Kelvina savienojums palīdz sasniegt to pašu, ja sajūtu līnija ir diferenciālis pāris, garumam jābūt vienādam gan pēdām, gan pēdām jābūt savienotām pāri komponentu vadiem.

Piemēram, Kelvina savienojums ir pareizi aprakstīts Teksasas instrumentu Power Controllers PCB dizaina vadlīnijās.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta pareiza strāvas uztveršana, izmantojot Kelvina savienojumu. Pareizais savienojums ir pareizs kelvina savienojums, kas būs būtisks maņu līnijas projektēšanai. Šajā dokumentā pareizi norādīts arī PCB izkārtojums.

PCB izkārtojums parāda ciešu savienojumu starp 10nF un 1nF keramikas kondensatoru visā draivera vai kontrollera IC. Sense līnija atspoguļo arī pareizo kelvina savienojumu. Iekšējais jaudas slānis ir atdalīta avota līnija, kas ir savienota ar tām pašām, bet atdalītajām avota līnijām, izmantojot vairākus viļņus, lai samazinātu trokšņa savienošanu.