Pokyny pro návrh rozvržení PCB pro spínané napájecí obvody

Spínaný napájecí zdroj je široce používanou topologií napájecího zdroje ve výkonové elektronice. Ať už to může být komplikovaný CNC stroj nebo kompaktní elektronické zařízení, pokud je zařízení připojeno k nějakému druhu napájení, je obvod SMPS vždy povinný. Nesprávný nebo vadný napájecí zdroj může vést k velké poruše produktu bez ohledu na to, jak dobře navržený a funkční může být obvod. Již jsme navrhli několik obvodů napájecího zdroje SMPS, jako jsou 12V 1A SMPS a 5V 2A SMPS pomocí Power Integration a Viper řadiče IC.

Každý spínaný napájecí zdroj používá spínač jako MOSFET nebo výkonový tranzistor, který se neustále zapíná nebo vypíná v závislosti na specifikaci spínacího ovladače. Spínací frekvence tohoto stavu ZAPNUTO a VYPNUTO se pohybuje od několika set kilohertzů do megahertzových rozsahů. V takovém vysokofrekvenčním spínacím modulu je taktika návrhu desky plošných spojů mnohem podstatnější a návrhář ji někdy přehlíží. Například špatná konstrukce desek plošných spojů by mohla vést k selhání celého obvodu, stejně jako dobře navržená deska plošných spojů by mohla vyřešit mnoho nepříjemných událostí.

Obecným pravidlem je, že tento výukový program poskytne některé podrobné aspekty důležitých pokynů pro rozvržení návrhu desek plošných spojů, které jsou nezbytné pro jakýkoli druh návrhu desek plošných spojů založených na spínaném napájení. Můžete si také prohlédnout návrhové techniky pro redukci EMI v obvodech SMPS.

Nejprve je třeba mít při návrhu spínaného napájecího zdroje jasnou indikaci požadavků a specifikací obvodů. Napájecí zdroj má čtyři důležité části.

Vstupní a výstupní filtry.
Obvody řidiče a související komponenty pro řidiče, zejména řídicí obvod.
Spínací cívky nebo transformátory
Výstupní most a související filtry.

V provedení desky plošných spojů je třeba všechny tyto segmenty oddělit v desce plošných spojů a je třeba jim věnovat zvláštní pozornost. V tomto článku budeme podrobně diskutovat o každém segmentu.

Pokyny pro vstupní a přidružené filtry

Vstupní a filtrační část je místo, kde se do obvodu připojují hlučné nebo neregulované napájecí vedení. Proto musí být vstupní filtrační kondenzátory umístěny v rovnoměrně vzdálené vzdálenosti od vstupního konektoru a budicího obvodu. Pro připojení vstupní části k budicímu obvodu je vždy nutné použít krátkou délku připojení.

Zvýrazněné části na obrázku výše představují těsné umístění filtračních kondenzátorů.

Pokyny pro obvod řidiče a ovládací obvod

Ovladač se skládá hlavně z interního MOSFETu nebo někdy je spínací MOSFET externě připojen. Spínací linka se vždy zapne a vypne na velmi vysoké frekvenci a vytvoří velmi hlučné napájecí vedení. Tato část musí být vždy oddělena od všech ostatních připojení.

Například by mělo být odděleno vysokonapěťové stejnosměrné vedení, které přímo vede do transformátoru (For flyback SMPS), nebo stejnosměrné vedení, které přímo vede do výkonového induktoru (spínací regulátory založené na topologii Buck nebo Boost).

Na obrázku níže je zvýrazněným signálem vysokonapěťové stejnosměrné vedení. Signál je směrován tak, že je oddělen od ostatních signálů.

Jednou z nejhlučnějších linek v přepínacím režimu napájení je odtokový kolík ovladače, ať už se jedná o flyback design AC na DC, nebo to může být nízkoenergetický spínací napájecí zdroj založený na buck, boost nebo buck-boost topologii design. Vždy je třeba jej oddělit od všech ostatních připojení a také musí být velmi krátký, protože tento typ rutin obvykle přenáší velmi vysokofrekvenční signály. Nejlepší způsob, jak izolovat toto signální vedení od ostatních, je použít výřez pro PCB pomocí frézování nebo kótování vrstev.

Na následujícím obrázku je znázorněno izolované připojení odtokového kolíku, které má bezpečnou vzdálenost od optočlenu a také výřez desky plošných spojů odstraní jakékoli rušení z jiných směrování nebo signálů.

Dalším důležitým bodem je, že budicí obvod má téměř vždy zpětnou vazbu nebo snímanou linku (někdy více než jednu, jako je linku pro snímání vstupního napětí, linku pro snímání výstupu), která je velmi citlivá a činnost ovladače je zcela závislá na snímání zpětné vazby. Jakýkoli druh zpětné vazby nebo snímací čáry by měl mít kratší délku, aby nedocházelo ke spojování hluku. Tyto typy vedení musí být vždy odděleny od napájecích, spínacích nebo jiných hlučných vedení.

Následující obrázek ukazuje samostatnou linii zpětné vazby od optočlenu k ovladači.

Nejen to, ale obvod řidiče může mít také více typů komponent, jako jsou kondenzátory, RC filtry, které jsou potřebné k ovládání operací obvodu řidiče. Tyto komponenty musí být umístěny těsně napříč řidičem.

Pokyny pro spínání induktorů a transformátorů

Spínaný induktor je po objemných kondenzátorech největší dostupnou komponentou v jakékoli desce napájecího zdroje. Jeden špatný design je směrovat jakýkoli druh spojení mezi vodiči induktoru. Je zásadní, aby nebyly směrovány žádné signály mezi výkony nebo filtračními cívkami.

Kdykoli se transformátory používají v napájecím zdroji, zejména v AC-DC SMPS, je hlavním použitím tohoto transformátoru izolace vstupu od výstupu. Je vyžadována odpovídající vzdálenost mezi primárními a sekundárními podložkami. Jedním z nejlepších způsobů, jak zvýšit povrchovou cestu, je použití mezní hodnoty desky plošných spojů pomocí frézovací vrstvy. Nikdy nepoužívejte žádné vedení mezi vodiči transformátoru.

Pokyny pro výstupní můstek a sekci filtru

Výstupní můstek je vysoce proudová Schottkyho dioda, která rozptyluje teplo v závislosti na zatěžovacím proudu. V několika případech jsou vyžadovány chladiče desek plošných spojů, které je třeba vytvořit na samotné desce plošných spojů pomocí měděné roviny. Účinnost chladiče je úměrná ploše a tloušťce mědi PCB.

Existují dva typy tloušťky mědi běžně dostupné v PCB, 35 mikronů a 70 mikronů. Čím vyšší je tloušťka, tím lepší tepelná konektivita a plocha chladiče PCB se zkrátí. Pokud je deska plošných spojů dvouvrstvá a vyhřívaný prostor na desce plošných spojů není k dispozici, lze použít obě strany měděné roviny a tyto dvě strany lze spojit pomocí běžných průchodek.

Níže uvedený obrázek je příkladem chladiče desky plošných spojů Schottkyho diody, která je vytvořena ve spodní vrstvě.

Filtrační kondenzátor hned za Schottkyho diodou musí být umístěn velmi těsně přes transformátor nebo spínací induktor takovým způsobem, že napájecí smyčka přes induktor, můstkovou diodu a kondenzátor se velmi zkrátí. Tímto způsobem lze snížit zvlnění výstupu.

Výše uvedený obrázek je příkladem krátké smyčky z výstupu transformátoru na můstkovou diodu a filtrační kondenzátor.

Snížení odrazu země pro rozvržení desek plošných spojů SMPS

Zaprvé je nezbytné uzemnění a oddělení nejdůležitějších zemních rovin v napájecím obvodu je další nejdůležitější věcí.

Z pohledu obvodů může mít spínaný napájecí zdroj společnou zem pro všechny komponenty, ale není tomu tak během fáze návrhu desky plošných spojů. Podle perspektivy návrhu desky plošných spojů je zem rozdělena na dvě části. První část je napájecí zem a druhá část je analogová nebo řídicí zem. Tyto dva důvody mají stejné spojení, ale je zde velký rozdíl. Analogové nebo řídicí uzemnění používají komponenty, které jsou spojeny s obvodem budiče. Tyto komponenty používají zemní rovinu, která vytváří zpáteční cestu s nízkým proudem, na druhé straně napájecí zem nese zpáteční cestu s vysokým proudem. Napájecí komponenty jsou hlučné a mohly by vést k nejistým problémům s odskokem země v řídicích obvodech, pokud jsou přímo připojeny ke stejné zemi. Níže uvedený obrázek ukazuje, jak jsou analogové a řídicí obvody zcela izolovány od ostatních elektrických vedení desky plošných spojů v jedné vrstvě desky plošných spojů.

Tyto dvě části je třeba oddělit a měly by být spojeny v konkrétní oblasti.

To je snadné, pokud je deska plošných spojů dvouvrstvá, protože vrchní vrstvu lze použít jako řídicí zem a všechny řídicí obvody by měly být připojeny ve společné zemní rovině v horní vrstvě. Na druhou stranu lze spodní vrstvu použít jako napájecí zem a všechny hlučné komponenty by měly tuto zemní rovinu používat. Ale tyto dva důvody jsou stejné zapojení a spojené ve schématu. Nyní lze pro připojení horní a spodní vrstvy použít průchody pro připojení obou pozemních rovin na jednom místě. Například viz níže uvedený obrázek -

Výše uvedená část ovladače má všechny kondenzátory související s výkonovým filtrem, které používají zemní rovinu samostatně nazývanou Power GND, ale spodní část IC ovladače je všechny ovládací prvky související s použitím samostatného ovládacího GND. Oba důvody jsou stejné připojení, ale jsou vytvořeny samostatně. Obě připojení GND se poté připojila přes Driver IC.

Postupujte podle standardů IPC

Postupujte podle pokynů a pravidel PCB podle konstrukčního standardu IPC PCB. To vždy minimalizuje pravděpodobnost chyby, pokud návrhář dodržuje konstrukční standard PCB popsaný v IPC2152 a IPC-2221B. Hlavně pamatujte, že šířka stop přímo ovlivňuje teplotu a proudovou kapacitu. Chybná šířka stop by proto mohla vést ke zvýšení teploty a špatnému toku proudu.

Vzdálenost mezi dvěma stopami, je také důležité, aby se zabránilo selhání nebo nejistý přeslech, někdy crossfires v současné aplikaci vysokého vysokého napětí. IPC-9592B popisuje doporučené vzdálenosti mezi elektrickými vedeními v provedení PCB založeném na napájecím zdroji.

Kelvinovo připojení pro Sense Line

Kelvinovo připojení je dalším důležitým parametrem v konstrukci desky napájecího zdroje kvůli přesnosti měření, která ovlivňuje schopnost řídicího obvodu. Řídicí obvod napájecího zdroje vždy vyžaduje nějaký druh měření, ať už je to snímání proudu nebo snímání napětí ve zpětnovazební nebo snímací lince. Toto snímání by mělo být prováděno z vodičů komponent tak, aby jiné signály nebo stopy nezasahovaly do snímací linky. Kelvinovo připojení pomáhá dosáhnout toho samého, pokud je snímací přímka diferenciální pár, délka musí být stejná pro obě stopy a stopa by se měla připojit napříč komponentními vodiči.

Například Kelvinovo připojení je řádně popsáno v pokynech pro návrh desek plošných spojů regulátorů výkonu od přístrojů Texas.

Výše uvedený obrázek ukazuje správné snímání proudu pomocí Kelvinova připojení. Správné připojení je správné kelvinové připojení, které bude nezbytné pro návrh linie smyslů. V tomto dokumentu je také správně uvedeno rozložení PCB.

Rozložení desky plošných spojů ukazuje těsné spojení mezi keramickým kondenzátorem 10nF a 1nF přes integrovaný obvod ovladače nebo řadiče. Linka Sense také odráží správné připojení kelvinů. Vnitřní napájecí vrstva je oddělené zdrojové vedení, které je spojeno se stejnými, ale oddělenými zdrojovými linkami pomocí více průchodů pro snížení vazby šumu.