- Directrius per a filtres d'entrada i filtres associats
- Directrius per al circuit de control i circuit de control
- Pautes per canviar inductors i transformadors
- Directrius per a la secció Pont de sortida i Filtre
- Reducció del rebot de terra per als dissenys de PCB SMPS
- Seguiu les normes IPC
- Kelvin Connection per a Sense Line
La font d'alimentació de commutació és una topologia de font d'alimentació àmpliament utilitzada en electrònica de potència. Tant si es pot tractar d’una màquina CNC complicada com d’un dispositiu electrònic compacte, sempre que el dispositiu estigui connectat a algun tipus d’alimentació, un circuit SMPS sempre és obligatori. Una font d'alimentació incorrecta o defectuosa pot provocar una fallada important del producte, independentment del grau de bon disseny i funcionalitat del circuit. Ja hem dissenyat uns quants circuits de font d'alimentació SMPS com el SMPS de 12V 1A i el SMPS de 5V 2A mitjançant la integració de potència i el controlador Viper IC, respectivament.
Cada font d'alimentació de commutació utilitza un commutador com un MOSFET o un transistor de potència que s'encén o apaga constantment en funció de les especificacions del controlador de commutació. La freqüència de commutació d’aquest estat d’ACTIVACIÓ i APAGADA oscil·la entre uns quants centenars de quilohertz a un megahertz. En aquest mòdul de commutació d'alta freqüència, les tàctiques de disseny de PCB són molt més essencials i de vegades és ignorada pel dissenyador. Per exemple, un disseny de PCB deficient podria provocar un fracàs de tot el circuit, així com un PCB ben dissenyat podria resoldre molts esdeveniments desagradables.
Com a regla general, aquest tutorial proporcionarà alguns aspectes detallats de les importants pautes de disseny del disseny de PCB que són essencials per a qualsevol tipus de disseny de PCB basat en font d'alimentació en mode commutador. També podeu consultar les tècniques de disseny per a la reducció d’EMI en circuits SMPS.
Primer de tot, per dissenyar una font d’alimentació en mode de commutació, cal tenir una indicació clara del requisit i les especificacions dels circuits. La font d'alimentació té quatre porcions importants.
- Filtres d'entrada i sortida.
- Circuits de controladors i components associats per al controlador, especialment el circuit de control.
- Inductors de commutació o transformadors
- Bridge de sortida i els filtres associats.
En un disseny de PCB, tots aquests segments s'han de separar en PCB i requereixen una atenció especial. En aquest article tractarem detalladament cada segment.
Directrius per a filtres d'entrada i filtres associats
La secció d’entrada i filtre és on les línies de subministrament sorolloses o no regulades es connecten al circuit. Per tant, els condensadors del filtre d'entrada han d'estar situats a una distància uniforme entre el connector d'entrada i el circuit del controlador. És essencial utilitzar sempre una connexió curta per connectar la secció d'entrada amb el circuit del controlador.
Les seccions ressaltades de la imatge anterior representen la ubicació propera dels condensadors del filtre.
Directrius per al circuit de control i circuit de control
El controlador consisteix principalment en un MOSFET intern o, de vegades, el MOSFET de commutació està connectat externament. La línia de commutació sempre s’activa i s’activa a una freqüència molt alta i crea una línia de subministrament molt sorollosa. Aquesta part sempre ha d’estar separada de la resta de connexions.
Per exemple, s’hauria de separar la línia de corrent continu d’alta tensió que va directament al transformador (per a flyback SMPS) o la línia de corrent continu que va directament a l’inductor de potència (reguladors de commutació basats en la topologia Buck o Boost).
A la imatge següent, el senyal ressaltat és la línia de CC d'alta tensió. El senyal s’encamina de manera que es separa d’altres senyals.
Una de les línies més sorolloses en el disseny d’una font d’alimentació en mode de commutació és el pin de drenatge del controlador, tant si es tracta d’un disseny de flyback de CA fins a DC o pot ser una font de commutació de baixa potència basada en la topologia Buck, Boost o Buck-Boost. disseny. Sempre s’ha de separar de totes les altres connexions i ha de ser molt curt perquè aquest tipus d’encaminaments solen contenir senyals d’alta freqüència. La millor manera d’aïllar aquesta línia de senyal d’altres és utilitzar retalls de PCB mitjançant capes de fresat o cotes.
A la imatge següent, es mostra una connexió de pin de drenatge aïllada que té una distància segura de l’acoblador opto, així com el tall del PCB eliminarà qualsevol interferència d’altres encaminaments o senyals.
Un altre punt important és que un circuit de controlador gairebé sempre té retroalimentació o línia detectada (algunes vegades més d’una, com ara la línia de detecció de tensió d’entrada, la línia de detecció de sortida) que és molt sensible i el funcionament del controlador depèn totalment de la percepció de la retroalimentació. Qualsevol tipus de retroalimentació o línia de detecció hauria de tenir una longitud més curta per evitar l’acoblament del soroll. Aquest tipus de línies sempre s'han de separar de les línies d'alimentació, de commutació o de qualsevol altra línia sorollosa.
La imatge següent mostra una línia de comentaris separada des de l’optocoplador fins al controlador.
No només això, sinó que un circuit conductor també pot tenir diversos tipus de components, com ara condensadors, filtres RC que són necessaris per controlar les operacions del circuit conductor. Aquests components s’han de col·locar molt a prop del conductor.
Pautes per canviar inductors i transformadors
L'inductor de commutació és el component més gran disponible en qualsevol placa d'alimentació després dels condensadors voluminosos. Un mal disseny és encaminar qualsevol tipus de connexió entre els cables de l’inductor. És essencial no encaminar cap senyal entre les potències o els coixinets inductors del filtre.
A més, sempre que s’utilitzen transformadors en una font d’alimentació, especialment en AC-DC SMPS, l’ús principal d’aquest transformador és aïllar l’entrada amb la sortida. Es requereix una distància adequada entre els coixinets primaris i secundaris. Una millor manera d’ augmentar la fluència és aplicant un tall de PCB mitjançant una capa de fresat. No utilitzeu mai cap tipus d’encaminament entre els cables del transformador.
Directrius per a la secció Pont de sortida i Filtre
El pont de sortida és un díode Schottky d’alt corrent que dissipa la calor en funció del corrent de càrrega. En uns quants casos, es requereixen dissipadors de calor de PCB que cal crear al propi PCB mitjançant el pla de coure. L'eficiència del dissipador de calor és proporcional a la superfície i al gruix del coure del PCB.
Hi ha dos tipus de gruix de coure comunament disponibles als PCB, 35 micres i 70 micres. Com més gran sigui el gruix, millor es reduirà la connectivitat tèrmica i la superfície del dissipador de calor del PCB. Si el PCB és de doble capa i l’espai escalfat no està disponible en una PCB, es poden utilitzar els dos costats del pla de coure i es poden connectar aquests dos costats mitjançant vies comunes.
La imatge següent és un exemple de dissipador de calor PCB d’un díode Schottky que es crea a la capa inferior.
El condensador del filtre just després del díode Schottky ha de col·locar-se molt a prop del transformador o de l’inductor de commutació de manera que el bucle de subministrament a través de l’inductor, el díode Bridge i el condensador sigui molt curt. D'aquesta manera, es pot reduir l'ondulació de la sortida.
La imatge anterior és un exemple d’un bucle curt des de la sortida del transformador fins al diode pont i el condensador del filtre.
Reducció del rebot de terra per als dissenys de PCB SMPS
En primer lloc, l' ompliment de terra és essencial i separar diferents plans de terra en un circuit d'alimentació és una altra cosa més important.
Des de la perspectiva dels circuits, una font d'alimentació de commutació pot tenir una única terra comuna per a tots els components, però no és el cas durant la fase de disseny de PCB. Segons la perspectiva del disseny de PCB, el sòl està separat en dues parts. La primera porció és terra de potència i la segona part és de terra analògica o de control. Aquests dos motius tenen la mateixa connexió, però hi ha una gran diferència. Els components que estan associats al circuit del controlador fan servir la terra analògica o de control. Aquests components utilitzen un pla de terra que crea un recorregut de retorn de baix corrent; en canvi, la terra de potència porta el recorregut de retorn de corrent alt. Els components de potència són sorollosos i poden provocar problemes incerts de rebot a terra en els circuits de control si es connecten directament a la mateixa terra. La imatge següent mostra com el circuit analògic i de control està completament aïllat d'altres línies elèctriques del PCB en un PCB d'una sola capa.
Aquestes dues porcions s’han de separar i han d’estar connectades en una regió concreta.
Això és fàcil si el PCB és de doble capa, com si es pogués utilitzar la capa superior com a terra de control i tots els circuits de control s’haurien de connectar al pla de terra comú de la capa superior. D'altra banda, la capa inferior es pot utilitzar com a terra elèctrica i tots els components sorollosos haurien d'utilitzar aquest pla de terra. Però aquests dos motius són la mateixa connexió i connectats en l’esquema. Ara, per connectar les capes superior i inferior, es poden utilitzar vies per connectar els dos plans terrestres en un sol lloc. Per exemple, vegeu la imatge següent:
La part superior del controlador té tots els condensadors relacionats amb el filtre de potència que utilitzen un pla de terra separat anomenat Power GND, però la porció inferior del controlador IC és de components relacionats amb el control, mitjançant un control GND separat. Els dos motius són la mateixa connexió però creats per separat. Totes dues connexions GND es van unir a través del controlador IC.
Seguiu les normes IPC
Seguiu les directrius i regles de PCB segons l'estàndard de disseny de PCB IPC. Això sempre minimitza les possibilitats d'error si el dissenyador segueix l'estàndard de disseny de PCB descrit a IPC2152 i IPC-2221B. Recordeu principalment que l’ amplada de les traces afecta directament la temperatura i la capacitat de càrrega actual. Per tant, l’amplada incorrecta de les traces podria provocar un augment de la temperatura i un flux de corrent deficient.
L' espai entre dues traces també és important per evitar fallades incertes o converses creuades, de vegades focs creuats en aplicacions d'alta tensió d'alta intensitat. L'IPC-9592B descriu l'espai recomanat entre les línies elèctriques en el disseny de PCB basat en font d'alimentació.
Kelvin Connection per a Sense Line
La connexió Kelvin és un altre paràmetre important en el disseny de la placa d'alimentació, a causa de la precisió de la mesura que afecta la capacitat del circuit de control. Un circuit de control de la font d'alimentació sempre requereix algun tipus de mesurament, ja sigui detecció de corrent o detecció de voltatge a la línia de retroalimentació o de detecció. Aquesta detecció s'ha de fer a partir dels components del component de manera que altres senyals o traces no interfereixin amb la línia de sentit. La connexió Kelvin ajuda a aconseguir el mateix, si la línia de sentit és un parell diferencial, la longitud ha de ser la mateixa per a les traces i la traça s’ha de connectar a través dels cables de components.
Per exemple, la connexió Kelvin es descriu adequadament a les directrius de disseny de PCB dels controladors de potència dels instruments de Texas.
La imatge anterior mostra una detecció de corrent adequada mitjançant una connexió Kelvin. La connexió adequada és la connexió kelvin adequada que serà essencial per al disseny de línies de sentit. El disseny del PCB també es proporciona correctament en aquest document.
El disseny del PCB mostra una connexió estreta entre el condensador ceràmic 10nF i 1nF a través del circuit controlador o controlador IC. La línia Sense també reflecteix la connexió kelvin adequada. La capa de potència interior és una línia de font separada que es connecta amb les mateixes línies de font separades mitjançant diverses vies per reduir l'acoblament del soroll.