Οδηγίες σχεδιασμού διάταξης PCB για κυκλώματα τροφοδοσίας λειτουργίας διακόπτη

Η εναλλαγή τροφοδοτικού είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τοπολογία τροφοδοσίας στα ηλεκτρονικά ισχύος. Είτε μπορεί να είναι μια περίπλοκη μηχανή CNC είτε μια συμπαγής ηλεκτρονική συσκευή, εφ 'όσον η συσκευή είναι συνδεδεμένη σε κάποιο είδος τροφοδοσίας, ένα κύκλωμα SMPS είναι πάντα υποχρεωτικό. Ακατάλληλη ή ελαττωματική μονάδα τροφοδοσίας μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλη βλάβη του προϊόντος, ανεξάρτητα από το πόσο καλά σχεδιασμένο και λειτουργικό μπορεί να είναι το κύκλωμα. Έχουμε ήδη σχεδιάσει αρκετά κυκλώματα τροφοδοσίας SMPS όπως το 12V 1A SMPS και το 5V 2A SMPS χρησιμοποιώντας το Power Integration και το Viper controller IC αντίστοιχα.

Κάθε τροφοδοτικό Switching χρησιμοποιεί έναν διακόπτη όπως MOSFET ή ένα τρανζίστορ ισχύος που συνεχώς ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται ανάλογα με τις προδιαγραφές του μεταγωγέα. Η συχνότητα εναλλαγής αυτής της κατάστασης ON και OFF κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες kilohertz έως megahertz. Σε μια τέτοια μονάδα εναλλαγής υψηλής συχνότητας, οι σχεδιαστικές τακτικές PCB είναι πολύ πιο απαραίτητες και μερικές φορές παραβλέπεται από τον σχεδιαστή. Για παράδειγμα, ένας κακός σχεδιασμός PCB θα μπορούσε να οδηγήσει σε αστοχία ολόκληρου του κυκλώματος, καθώς και το καλά σχεδιασμένο PCB θα μπορούσε να λύσει πολλά δυσάρεστα συμβάντα.

Κατά γενικό κανόνα, αυτό το σεμινάριο θα παρέχει ορισμένες λεπτομερείς πτυχές των σημαντικών οδηγιών διάταξης σχεδιασμού PCB που είναι απαραίτητες για κάθε είδους σχεδιασμό PCB με βάση τροφοδοτικό. Μπορείτε επίσης να δείτε τις Τεχνικές Σχεδιασμού για Μείωση EMI στα Κυκλώματα SMPS.

Πρώτα απ 'όλα, για το σχεδιασμό τροφοδοσίας εναλλαγής, πρέπει να έχουμε μια σαφή ένδειξη της απαίτησης και των προδιαγραφών κυκλώματος. Η τροφοδοσία έχει τέσσερα σημαντικά τμήματα.

Φίλτρα εισόδου και εξόδου.
Κύκλωμα οδηγού και συναφή εξαρτήματα για τον οδηγό ειδικά κύκλωμα ελέγχου.
Μεταγωγείς πηνίων ή μετασχηματιστές
Γέφυρα εξόδου και τα σχετικά φίλτρα.

Σε σχεδιασμό PCB, όλα αυτά τα τμήματα πρέπει να διαχωριστούν στο PCB και απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή. Θα συζητήσουμε λεπτομερώς κάθε τμήμα σε αυτό το άρθρο.

Οδηγίες για φίλτρα εισαγωγής και συσχετισμένα

Η είσοδος και το τμήμα φίλτρου είναι όπου οι θορυβώδεις ή μη ρυθμισμένες γραμμές τροφοδοσίας συνδέονται στο κύκλωμα. Επομένως, οι πυκνωτές φίλτρου εισόδου πρέπει να βρίσκονται σε ομοιόμορφη απόσταση από το βύσμα εισόδου και το κύκλωμα οδηγού. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιείτε πάντα ένα μικρό μήκος σύνδεσης για τη σύνδεση του τμήματος εισόδου με το κύκλωμα οδήγησης.

Οι επισημασμένες ενότητες στην παραπάνω εικόνα αντιπροσωπεύουν τη στενή τοποθέτηση των πυκνωτών φίλτρου.

Οδηγίες για κύκλωμα οδηγού και κύκλωμα ελέγχου

Το πρόγραμμα οδήγησης αποτελείται κυρίως από ένα εσωτερικό MOSFET ή μερικές φορές η εναλλαγή MOSFET είναι εξωτερικά συνδεδεμένη. Η γραμμή εναλλαγής ενεργοποιείται πάντα και απενεργοποιείται σε πολύ υψηλή συχνότητα και δημιουργεί μια πολύ θορυβώδη γραμμή τροφοδοσίας. Αυτό το τμήμα πρέπει πάντα να είναι ξεχωριστό από όλες τις άλλες συνδέσεις.

Για παράδειγμα, η γραμμή DC υψηλής τάσης που πηγαίνει απευθείας στον μετασχηματιστή (Για flyback SMPS) ή τη γραμμή DC που κατευθύνεται απευθείας στον επαγωγέα ισχύος (ρυθμιστές μεταγωγής με βάση τοπολογία Buck ή Boost) πρέπει να διαχωριστούν.

Στην παρακάτω εικόνα, το επισημασμένο σήμα είναι η γραμμή DC υψηλής τάσης. Το σήμα δρομολογείται με τέτοιο τρόπο ώστε να διαχωρίζεται από άλλα σήματα.

Μία από τις πιο θορυβώδεις γραμμές στη σχεδίαση τροφοδοσίας εναλλαγής είναι ο πείρος αποστράγγισης του οδηγού, είτε πρόκειται για σχεδίαση εναλλαγής εναλλασσόμενου ρεύματος σε DC είτε μπορεί να είναι τροφοδοσία χαμηλής ισχύος με βάση τοπολογία buck, boost ή buck-boost σχέδιο. Πρέπει πάντα να διαχωρίζεται από όλες τις άλλες συνδέσεις, καθώς και να είναι πολύ σύντομη, επειδή αυτός ο τύπος δρομολογίων φέρει γενικά σήματα πολύ υψηλής συχνότητας. Ο καλύτερος τρόπος για να απομονώσετε αυτήν τη γραμμή σήματος από άλλους είναι να χρησιμοποιήσετε το cutout PCB χρησιμοποιώντας στρώματα άλεσης ή διαστάσεων

Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται μια απομονωμένη σύνδεση πείρου αποστράγγισης που έχει μια ασφαλή απόσταση από το συζεύκτη Opto καθώς και η αποκοπή του PCB θα αφαιρέσει τυχόν παρεμβολές από άλλες διαδρομές ή σήματα.

Ένα άλλο σημαντικό σημείο είναι ότι, ένα κύκλωμα οδηγού έχει σχεδόν πάντα ανατροφοδότηση ή ανιχνευμένη γραμμή (μερικές φορές περισσότερες από μία, όπως γραμμή αίσθησης τάσης εισόδου, γραμμή αίσθησης εξόδου) που είναι πολύ ευαίσθητη και η λειτουργία του οδηγού εξαρτάται πλήρως από την ανίχνευση της ανάδρασης. Οποιοδήποτε είδος ανάδρασης ή γραμμή αίσθησης πρέπει να είναι μικρότερη σε μήκος από την σύζευξη του θορύβου αποφεύγει. Αυτοί οι τύποι γραμμών πρέπει πάντα να διαχωρίζονται από το Power, το διακόπτη ή άλλες θορυβώδεις γραμμές.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει μια ξεχωριστή γραμμή ανατροφοδότησης από τον οπτοσυζεύκτη στο πρόγραμμα οδήγησης.

Όχι μόνο αυτό, αλλά ένα κύκλωμα οδηγού μπορεί επίσης να έχει πολλούς τύπους εξαρτημάτων όπως πυκνωτές, φίλτρα RC που απαιτούνται για τον έλεγχο των λειτουργιών κυκλώματος οδηγού. Αυτά τα εξαρτήματα πρέπει να τοποθετηθούν κοντά στον οδηγό.

Κατευθυντήριες γραμμές για την εναλλαγή επαγωγέων και μετασχηματιστών

Το Switching Inductor είναι το μεγαλύτερο διαθέσιμο στοιχείο σε οποιαδήποτε πλακέτα τροφοδοσίας μετά από ογκώδεις πυκνωτές. Ένας κακός σχεδιασμός είναι η δρομολόγηση κάθε είδους σύνδεσης μεταξύ των αγωγών επαγωγής. Είναι απαραίτητο να μην δρομολογείτε σήματα μεταξύ των δυνάμεων ή των φίλτρων επαγωγικού φίλτρου.

Επίσης, κάθε φορά που οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σε τροφοδοσία, ειδικά σε AC-DC SMPS, η κύρια χρήση αυτού του μετασχηματιστή είναι η απομόνωση της εισόδου με την έξοδο. Απαιτείται επαρκής απόσταση μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος μαξιλαριού. Ένας καλύτερος τρόπος για να αυξήσετε το creepage είναι να εφαρμόσετε ένα cutoff PCB χρησιμοποιώντας ένα στρώμα άλεσης. Ποτέ μην χρησιμοποιείτε οποιοδήποτε είδος δρομολόγησης μεταξύ των καλωδίων του μετασχηματιστή.

Οδηγίες για το τμήμα Γέφυρας και φίλτρου εξόδου

Η γέφυρα εξόδου είναι μια δίοδος Schottky υψηλού ρεύματος που διαλύει τη θερμότητα ανάλογα με το ρεύμα φορτίου. Σε μερικές περιπτώσεις, απαιτούνται ψύκτρες PCB που πρέπει να δημιουργηθούν στο ίδιο το PCB χρησιμοποιώντας το επίπεδο χαλκού. Η απόδοση της ψύκτρας είναι ανάλογη με την περιοχή και το πάχος του χαλκού PCB.

Υπάρχουν δύο τύποι πάχους χαλκού που διατίθενται συνήθως σε PCB, 35 μικρά και 70 μικρά. Όσο υψηλότερο είναι το πάχος, τόσο καλύτερη είναι η θερμική συνδεσιμότητα και η περιοχή ψύξης PCB. Εάν το PCB είναι ένα διπλό στρώμα και ο θερμαινόμενος χώρος δεν είναι κάπως διαθέσιμος σε ένα PCB, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει και τις δύο πλευρές του επιπέδου χαλκού και θα μπορούσε να συνδέσει αυτές τις δύο πλευρές χρησιμοποιώντας κοινά σημεία.

Η παρακάτω εικόνα είναι ένα παράδειγμα ψύκτρας PCB μιας δίοδος Schottky που δημιουργείται στο κάτω στρώμα.

Ο πυκνωτής φίλτρου αμέσως μετά τη δίοδο Schottky πρέπει να τοποθετηθεί πολύ κοντά στον μετασχηματιστή ή στον επαγωγέα μεταγωγής με τέτοιο τρόπο ώστε ο βρόχος τροφοδοσίας μέσω του επαγωγέα, της διόδου Bridge και του πυκνωτή να είναι πολύ βραχύς. Με αυτόν τον τρόπο, ο κυματισμός εξόδου μπορεί να μειωθεί.

Η παραπάνω εικόνα είναι ένα παράδειγμα βραχυκυκλώματος από την έξοδο του μετασχηματιστή έως τη δίοδο γέφυρας και τον πυκνωτή φίλτρου.

Μείωση αναπήδησης εδάφους για διατάξεις SMPS PCB

Πρώτον, η πλήρωση γείωσης είναι απαραίτητη και ο διαχωρισμός διαφορετικών επιπέδων γείωσης σε ένα κύκλωμα τροφοδοσίας είναι ένα άλλο πιο σημαντικό πράγμα.

Από την προοπτική του κυκλώματος, ένα τροφοδοτικό εναλλαγής μπορεί να έχει ένα κοινό έδαφος για όλα τα εξαρτήματα, αλλά αυτό δεν συμβαίνει κατά τη φάση σχεδιασμού του PCB. Σύμφωνα με την προοπτική σχεδιασμού PCB, το έδαφος χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο τμήμα είναι γείωση ισχύος και το δεύτερο τμήμα είναι αναλογική ή γείωση ελέγχου. Αυτοί οι δύο λόγοι έχουν την ίδια σύνδεση, αλλά υπάρχει μεγάλη διαφορά. Η αναλογική ή η γείωση ελέγχου χρησιμοποιείται από τα εξαρτήματα που σχετίζονται με το κύκλωμα οδήγησης. Αυτά τα εξαρτήματα χρησιμοποιούν ένα επίπεδο γείωσης που δημιουργεί μια διαδρομή επιστροφής χαμηλού ρεύματος, από την άλλη πλευρά, η γείωση ισχύος μεταφέρει τη διαδρομή επιστροφής υψηλού ρεύματος. Τα εξαρτήματα ισχύος είναι θορυβώδη και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αβέβαια ζητήματα αναπήδησης γείωσης στα κυκλώματα ελέγχου εάν συνδέονται απευθείας στο ίδιο έδαφος. Η παρακάτω εικόνα δείχνει πώς το αναλογικό και το κύκλωμα ελέγχου είναι εντελώς απομονωμένα από άλλες γραμμές τροφοδοσίας του PCB σε ένα μονό στρώμα PCB.

Αυτά τα δύο τμήματα πρέπει να διαχωριστούν και πρέπει να συνδεθούν σε μια συγκεκριμένη περιοχή.

Αυτό είναι εύκολο εάν το PCB είναι ένα διπλό στρώμα, όπως το πάνω στρώμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γείωση ελέγχου και όλα τα κυκλώματα ελέγχου πρέπει να συνδέονται στο κοινό επίπεδο γείωσης στο πάνω στρώμα. Από την άλλη πλευρά, το κάτω στρώμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γείωση ισχύος και όλα τα θορυβώδη εξαρτήματα πρέπει να χρησιμοποιούν αυτό το επίπεδο γείωσης. Αλλά αυτοί οι δύο λόγοι είναι η ίδια σύνδεση και συνδέονται στο σχηματικό. Τώρα, για τη σύνδεση των άνω και κάτω επιπέδων, τα vias μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση και των δύο επιπέδων εδάφους σε ένα μόνο μέρος. Για παράδειγμα, δείτε την παρακάτω εικόνα -

Το παραπάνω τμήμα του προγράμματος οδήγησης έχει όλους τους πυκνωτές που σχετίζονται με το φίλτρο ισχύος που χρησιμοποιούν ένα επίπεδο γείωσης χωριστό που ονομάζεται Power GND, αλλά το κάτω μέρος του IC οδηγού είναι όλα εξαρτήματα που σχετίζονται με τον έλεγχο, χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό GND ελέγχου. Και οι δύο λόγοι είναι η ίδια σύνδεση αλλά δημιουργούνται ξεχωριστά. Και οι δύο συνδέσεις GND εντάχθηκαν στη συνέχεια στο πρόγραμμα οδήγησης IC.

Ακολουθήστε τα πρότυπα IPC

Ακολουθήστε τις οδηγίες και τους κανόνες PCB σύμφωνα με το πρότυπο σχεδίασης PCB IPC. Αυτό ελαχιστοποιεί πάντα τις πιθανότητες σφάλματος εάν ο σχεδιαστής ακολουθεί το πρότυπο σχεδίασης PCB που περιγράφεται στα IPC2152 και IPC-2221B. Θυμηθείτε κυρίως ότι το πλάτος των ιχνών επηρεάζει άμεσα τη θερμοκρασία και την τρέχουσα ικανότητα μεταφοράς. Επομένως, το λάθος πλάτος των ιχνών θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της θερμοκρασίας και κακή ροή ρεύματος.

Η απόσταση μεταξύ δύο ιχνών είναι επίσης σημαντική για την αποφυγή αβέβαιης αστοχίας ή διασταυρούμενης ομιλίας, μερικές φορές διασταυρούμενες πυρκαγιές σε εφαρμογή υψηλής τάσης υψηλής τάσης. Το IPC-9592B περιγράφει τη συνιστώμενη απόσταση μεταξύ των γραμμών τροφοδοσίας στη σχεδίαση PCB με βάση την τροφοδοσία.

Σύνδεση Kelvin για Sense Line

Η σύνδεση Kelvin είναι μια άλλη σημαντική παράμετρος στο σχέδιο τροφοδοσίας τροφοδοσίας, λόγω της ακρίβειας της μέτρησης που επηρεάζει την ικανότητα του κυκλώματος ελέγχου. Ένα κύκλωμα ελέγχου τροφοδοσίας απαιτεί πάντοτε κάποιες μετρήσεις, είτε είναι ανίχνευση ρεύματος είτε ανίχνευση τάσης στην ανατροφοδότηση ή στη γραμμή αίσθησης. Αυτή η ανίχνευση πρέπει να γίνεται από τα καλώδια των εξαρτημάτων με τέτοιο τρόπο ώστε άλλα σήματα ή ίχνη να μην παρεμβαίνουν στη γραμμή αίσθησης. Η σύνδεση Kelvin βοηθά στην επίτευξη του ίδιου, εάν η γραμμή αίσθησης είναι ένα ζεύγος διαφορικών, το μήκος πρέπει να είναι το ίδιο και για τα δύο ίχνη και το ίχνος πρέπει να συνδέεται μεταξύ των καλωδίων των συστατικών.

Για παράδειγμα, η σύνδεση Kelvin περιγράφεται σωστά στις οδηγίες σχεδιασμού PCB των ελεγκτών ισχύος από όργανα Texas.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει σωστή τρέχουσα ανίχνευση χρησιμοποιώντας μια σύνδεση Kelvin. Η σωστή σύνδεση είναι η σωστή σύνδεση kelvin που θα είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό γραμμικής αίσθησης. Η διάταξη PCB δίνεται επίσης σωστά σε αυτό το έγγραφο.

Η διάταξη PCB δείχνει μια στενή σύνδεση μεταξύ του κεραμικού πυκνωτή 10nF και 1nF στο IC του προγράμματος οδήγησης ή του ελεγκτή. Η γραμμή Sense αντικατοπτρίζει επίσης τη σωστή σύνδεση kelvin. Το στρώμα εσωτερικής ισχύος είναι μια διαχωρισμένη γραμμή πηγής που συνδέεται με τις ίδιες αλλά διαχωρισμένες γραμμές πηγής χρησιμοποιώντας πολλαπλά σημεία για τη μείωση της ζεύξης θορύβου.