Linee guida per la progettazione del layout della scheda per circuiti di alimentazione a commutazione

L'alimentatore switching è una topologia di alimentazione ampiamente utilizzata nell'elettronica di potenza. Che si tratti di una macchina CNC complicata o di un dispositivo elettronico compatto, purché il dispositivo sia collegato a una sorta di alimentazione, un circuito SMPS è sempre obbligatorio. Un alimentatore inadeguato o difettoso potrebbe causare un grave guasto del prodotto indipendentemente da quanto ben progettato e funzionale possa essere il circuito. Abbiamo già progettato alcuni circuiti di alimentazione SMPS come SMPS da 12V 1A e SMPS da 5V 2A utilizzando rispettivamente Power Integration e IC controller Viper.

Ogni alimentatore Switching utilizza un interruttore come un MOSFET o un transistor di potenza che viene costantemente acceso o spento a seconda delle specifiche del driver di commutazione. La frequenza di commutazione di questo stato ON e OFF varia da poche centinaia di kilohertz a megahertz. In un modulo di commutazione così ad alta frequenza, le tattiche di progettazione del PCB sono molto più essenziali e talvolta vengono trascurate dal progettista. Ad esempio, un design scadente del PCB potrebbe portare al guasto dell'intero circuito, così come un PCB ben progettato potrebbe risolvere molti eventi spiacevoli.

Come regola generale, questo tutorial fornirà alcuni aspetti dettagliati di importanti linee guida di layout di progettazione PCB che sono essenziali per qualsiasi tipo di progettazione PCB basata su alimentatore switching. Puoi anche controllare le tecniche di progettazione per la riduzione EMI nei circuiti SMPS.

Per prima cosa, per progettare un alimentatore switching, è necessario avere una chiara indicazione dei requisiti e delle specifiche del circuito. L'alimentatore ha quattro parti importanti.

1. Filtri di ingresso e uscita.
2. Circuito del driver e componenti associati per il driver, in particolare il circuito di controllo.
3. Commutazione di induttori o trasformatori
4. Output Bridge e filtri associati.

In un progetto PCB, questi tutti i segmenti devono essere separati in PCB e richiedono un'attenzione speciale. Discuteremo ogni segmento in dettaglio in questo articolo.

Linee guida per filtri di input e associati

La sezione di ingresso e filtro è il punto in cui le linee di alimentazione rumorose o non regolate vengono collegate al circuito. Pertanto, i condensatori del filtro di ingresso devono essere situati a una distanza uniformemente distanziata dal connettore di ingresso e dal circuito di pilotaggio. È essenziale utilizzare sempre un breve tratto di collegamento per collegare la sezione di ingresso con il circuito del driver.

Le sezioni evidenziate nell'immagine sopra rappresentano il posizionamento ravvicinato dei condensatori di filtro.

Linee guida per circuiti driver e circuiti di controllo

Il driver è costituito principalmente da un MOSFET interno o talvolta il MOSFET di commutazione è collegato esternamente. La linea di commutazione viene sempre accesa e spenta ad altissima frequenza e crea una linea di alimentazione molto rumorosa. Questa parte deve sempre essere separata da tutte le altre connessioni.

Ad esempio, la linea CC ad alta tensione che va direttamente al trasformatore (per SMPS flyback) o la linea CC che va direttamente all'induttore di potenza (regolatori di commutazione basati sulla topologia Buck o Boost) devono essere separate.

Nell'immagine sottostante, il segnale evidenziato è la linea CC ad alta tensione. Il segnale viene instradato in modo tale da essere separato dagli altri segnali.

Una delle linee più rumorose in un alimentatore switching è il perno di drenaggio del driver, che si tratti di un design flyback da CA a CC o può essere un alimentatore switching a bassa potenza basato su topologia buck, boost o buck-boost design. Deve sempre essere separato da tutte le altre connessioni e deve essere molto breve perché questo tipo di instradamento generalmente trasporta segnali ad altissima frequenza. Il modo migliore per isolare questa linea di segnale dagli altri è utilizzare il ritaglio PCB utilizzando la fresatura o gli strati di dimensione.

Nell'immagine sottostante, viene mostrata una connessione a pin di drenaggio isolata che ha una distanza di sicurezza dall'opto-accoppiatore e il taglio del PCB rimuoverà qualsiasi interferenza da altri percorsi o segnali.

Un altro punto importante è che un circuito di pilotaggio ha quasi sempre un feedback o una linea rilevata (alcune volte più di una come la linea di rilevamento della tensione di ingresso, la linea di rilevamento di uscita) che è molto sensibile e il funzionamento del driver dipende interamente dal rilevamento del feedback. Qualsiasi tipo di feedback o linea di rilevamento dovrebbe essere più breve per evitare l'accoppiamento di rumore. Questi tipi di linee devono sempre essere separati dall'alimentazione, dalla commutazione o da qualsiasi altra linea rumorosa.

L'immagine sotto mostra una linea di feedback separata dal fotoaccoppiatore al driver.

Non solo questo, ma un circuito driver può anche avere più tipi di componenti come condensatori, filtri RC che sono necessari per controllare le operazioni del circuito driver. Questi componenti devono essere posizionati vicino al conducente.

Linee guida per la commutazione di induttori e trasformatori

L'induttore di commutazione è il componente più grande disponibile in qualsiasi scheda di alimentazione dopo i condensatori ingombranti. Un cattivo progetto è quello di instradare qualsiasi tipo di connessione tra i cavi dell'induttore. È essenziale non instradare alcun segnale tra le potenze o le piazzole dell'induttore del filtro.

Inoltre, ogni volta che i trasformatori vengono utilizzati in un alimentatore, specialmente negli SMPS AC-DC, l'uso principale di questo trasformatore è isolare l'ingresso con l'uscita. È necessaria una distanza adeguata tra gli elettrodi primari e secondari. Un modo migliore per aumentare la dispersione è applicare un taglio PCB utilizzando uno strato di fresatura. Non utilizzare mai alcun tipo di instradamento tra i cavi del trasformatore.

Linee guida per il bridge di output e la sezione dei filtri

Il ponte di uscita è un diodo Schottky ad alta corrente che dissipa il calore a seconda della corrente di carico. In alcuni casi, sono necessari dissipatori di calore PCB che devono essere creati nel PCB stesso utilizzando il piano di rame. L'efficienza del dissipatore di calore è proporzionale all'area e allo spessore del rame del PCB.

Esistono due tipi di spessore del rame comunemente disponibili nei PCB, 35 micron e 70 micron. Il più alto lo spessore è, la migliore connettività termica e PCB di calore zona lavandino ottenere accorciato. Se il PCB è un doppio strato e lo spazio riscaldato non è in qualche modo disponibile in un PCB, è possibile utilizzare entrambi i lati del piano di rame e collegare questi due lati utilizzando via comuni.

L'immagine sotto è un esempio di dissipatore PCB di un diodo Schottky creato nello strato inferiore.

Il condensatore di filtro subito dopo il diodo Schottky deve essere posizionato molto vicino al trasformatore o all'induttore di commutazione in modo tale che il circuito di alimentazione attraverso l'induttore, il diodo a ponte e il condensatore diventi molto corto. In tal modo, il ripple di uscita può essere ridotto.

L'immagine sopra è un esempio di un corto circuito dall'uscita del trasformatore al diodo a ponte e al condensatore di filtro.

Riduzione del rimbalzo del terreno per i layout PCB SMPS

In primo luogo, il riempimento del terreno è essenziale e la separazione di diversi piani di massa in un circuito di alimentazione è un'altra cosa più importante.

Dal punto di vista dei circuiti, un alimentatore switching può avere un'unica massa comune per tutti i componenti, ma non è così durante la fase di progettazione del PCB. Secondo la prospettiva di progettazione del PCB, il terreno è separato in due parti. La prima parte è la massa di alimentazione e la seconda è la massa analogica o di controllo. Questi due motivi hanno la stessa connessione ma c'è una grande differenza. La massa analogica o di controllo viene utilizzata dai componenti associati al circuito di pilotaggio. Questi componenti utilizzano un piano di massa che crea un percorso di ritorno a bassa corrente, d'altra parte, la massa di alimentazione trasporta il percorso di ritorno ad alta corrente. I componenti di alimentazione sono rumorosi e potrebbero portare a problemi di rimbalzo verso terra incerti nei circuiti di controllo se sono collegati direttamente nella stessa massa. L'immagine sotto mostra come i circuiti analogici e di controllo siano completamente isolati dalle altre linee di alimentazione del PCB in un PCB a strato singolo.

Queste due parti devono essere separate e dovrebbero essere collegate in una particolare regione.

Questo è facile se il PCB è un doppio strato, come lo strato superiore può essere utilizzato come massa di controllo e tutti i circuiti di controllo devono essere collegati nel piano di massa comune nello strato superiore. D'altra parte, lo strato inferiore può essere utilizzato come massa di alimentazione e tutti i componenti rumorosi dovrebbero utilizzare questo piano di massa. Ma questi due motivi sono la stessa connessione e collegati nello schema. Ora, per collegare gli strati superiore e inferiore, i via possono essere utilizzati per collegare entrambi i piani di terra in un unico punto. Ad esempio, guarda l'immagine qui sotto:

La parte superiore del driver ha tutti i condensatori relativi al filtro di potenza che utilizzano un piano di massa chiamato separatamente Power GND, ma la parte inferiore del driver IC è tutti i componenti relativi al controllo, utilizzando un GND di controllo separato. Entrambi i motivi sono la stessa connessione ma creati separatamente. Entrambe le connessioni GND si sono poi unite attraverso il Driver IC.

Segui gli standard IPC

Seguire le linee guida e le regole PCB secondo lo standard di progettazione PCB IPC. Ciò riduce sempre al minimo le possibilità di errore se il progettista segue lo standard di progettazione PCB descritto in IPC2152 e IPC-2221B. Ricorda principalmente che la larghezza delle tracce influisce direttamente sulla temperatura e sulla capacità di trasporto di corrente. Pertanto, una larghezza errata delle tracce potrebbe portare ad un aumento della temperatura e ad uno scarso flusso di corrente.

La distanza tra due tracce è importante anche per evitare guasti incerti o diafonia, a volte incendi incrociati in applicazioni ad alta tensione ad alta corrente. IPC-9592B descrive la distanza consigliata tra le linee di alimentazione nella progettazione PCB basata su alimentatore.

Connessione Kelvin per Sense Line

La connessione Kelvin è un altro parametro importante nella progettazione della scheda di alimentazione, a causa della precisione della misurazione che influisce sulla capacità del circuito di controllo. Un circuito di controllo dell'alimentazione richiede sempre un qualche tipo di misurazioni, sia che si tratti di rilevamento di corrente o di rilevamento di tensione nella linea di feedback o di rilevamento. Questo rilevamento deve essere eseguito dai conduttori del componente in modo tale che altri segnali o tracce non interferiscano con la linea di rilevamento. La connessione Kelvin aiuta a ottenere lo stesso risultato, se la linea di rilevamento è una coppia differenziale, la lunghezza deve essere la stessa per entrambe le tracce e la traccia deve connettersi attraverso i cavi dei componenti.

Ad esempio, la connessione Kelvin è adeguatamente descritta nelle linee guida di progettazione PCB dei controller di potenza di Texas Instruments.

L'immagine sopra mostra il corretto rilevamento della corrente utilizzando una connessione Kelvin. La giusta connessione è la corretta connessione kelvin che sarà essenziale per il design della linea sensoriale. Anche il layout del PCB viene fornito correttamente in quel documento.

Il layout del PCB mostra una stretta connessione tra il condensatore ceramico 10nF e 1nF attraverso il driver o il controller IC. La linea Sense riflette anche la corretta connessione kelvin. Lo strato di alimentazione interno è una linea di sorgente separata che è collegata alle stesse linee di sorgente ma separate utilizzando più vie per ridurre l'accoppiamento del rumore.