- Smjernice za ulazne i pridružene filtre
- Smjernice za upravljački krug i upravljački krug
- Smjernice za sklopne prigušnice i transformatore
- Smjernice za izlazni most i odjeljak filtra
- Smanjivanje odbijanja tla za SMPS izglede PCB-a
- Slijedite IPC standarde
- Kelvinova veza za Sense Line
Preklopno napajanje široko je korištena topologija napajanja u energetskoj elektronici. Bez obzira radi li se o kompliciranom CNC stroju ili kompaktnom elektroničkom uređaju, sve dok je uređaj povezan na neku vrstu napajanja, SMPS krug je uvijek obvezan. Nepravilna ili neispravna jedinica za napajanje može dovesti do velikog kvara proizvoda, bez obzira na to koliko dobro dizajniran i funkcionalan krug može biti. Već smo dizajnirali dosta SMPS sklopova za napajanje poput 12V 1A SMPS i 5V 2A SMPS koristeći Power Integration i Viper IC kontroler.
Svako impulsno napajanje koristi prekidač poput MOSFET-a ili tranzistor snage koji se neprestano UKLJUČUJE ili ISKLJUČUJE ovisno o specifikaciji pogonskog sklopa. Učestalost uključivanja ovog stanja UKLJUČENO i ISKLJUČENO kreće se od nekoliko stotina kiloherca do megaherca. U takvom visokofrekventnom preklopnom modulu taktike dizajniranja PCB-a su mnogo bitnije i dizajner ih ponekad previdi. Na primjer, loš dizajn PCB-a mogao bi dovesti do neuspjeha cijelog kruga, kao i dobro dizajniran PCB riješiti mnoge neugodne događaje.
Kao opće pravilo, ovaj će vodič pružiti neke detaljne aspekte važnih smjernica za dizajn PCB-a koji su bitni za bilo koji oblik dizajna PCB-a zasnovanog na preklopno napajanje. Također možete provjeriti Tehnike dizajna za smanjenje EMI u SMPS krugovima.
Prvo, za projektiranje napajanja s prekidačem, treba imati jasnu naznaku zahtjeva i specifikacija sklopa. Napajanje ima četiri važna dijela.
- Ulazni i izlazni filtri.
- Upravljački krug i pripadajuće komponente za vozač, posebno upravljački krug.
- Sklopne prigušnice ili transformatori
- Izlazni most i pripadajući filtri.
U dizajnu PCB-a, svi ovi segmenti trebaju biti odvojeni u PCB-u i zahtijevaju posebnu pozornost. U ovom ćemo članku detaljno razmotriti svaki segment.
Smjernice za ulazne i pridružene filtre
Na ulazu i u dijelu filtra bučni ili neregulirani vodovi za napajanje spajaju se u krug. Stoga se ulazni kondenzatori filtra moraju nalaziti na ravnomjerno udaljenoj udaljenosti od ulaznog konektora i pogonskog kruga. Bitno je uvijek koristiti kratku duljinu veze za spajanje ulaznog dijela s krugom pogona.
Označeni dijelovi na gornjoj slici predstavljaju bliski položaj kondenzatora filtra.
Smjernice za upravljački krug i upravljački krug
Vozač se uglavnom sastoji od internog MOSFET-a ili je ponekad sklopni MOSFET spojen izvana. Preklopni vod uvijek se UKLJUČI I ISKLJUČI na vrlo visokoj frekvenciji i stvara vrlo bučan dovodni vod. Ovaj dio uvijek mora biti odvojen od svih ostalih veza.
Na primjer, visokonaponski istosmjerni vod koji ide izravno na transformator (za povratni SMPS) ili istosmjerni vod koji izravno ide do induktiviteta (preklopni regulatori temeljeni na topologiji Buck ili Boost) trebaju biti odvojeni.
Na slici ispod, istaknuti signal je visokonaponski istosmjerni vod. Signal se usmjerava na takav način da je odvojen od ostalih signala.
Jedna od najbučnijih linija u dizajnu napajanja s preklopnim načinom rada je ispusni klin vozača, bilo da je riječ o dizajnu izmjeničnog i istosmjernog preusmjeravanja ili može biti preklopno napajanje zasnovano na topologiji male snage, pojačanju ili pojačanju oblikovati. Uvijek ga treba odvojiti od svih ostalih veza, kao i biti vrlo kratak, jer ova vrsta usmjeravanja uglavnom nosi vrlo visokofrekventne signale. Najbolji način da ovu signalnu liniju izolirate od ostalih je korištenje PCB izreza pomoću glodanja ili dimenzionalnih slojeva.
Na donjoj je slici prikazan izolirani priključak za ispuštanje igle koji ima sigurnu udaljenost od Opto-spojnice, kao i izrezani PCB, koji će ukloniti sve smetnje iz drugih usmjeravanja ili signala.
Još jedna važna stvar je da vozački sklop gotovo uvijek ima povratnu vezu ili osjetljivu liniju (nekoliko puta više od one kao što je linija osjetnika ulaznog napona, linija osjetnika izlaza) koja je vrlo osjetljiva i rad vozača u potpunosti ovisi osjetom povratne informacije. Bilo koja vrsta povratne veze ili osjetne crte trebala bi biti kraća kako bi se izbjeglo sprezanje šuma. Ove vrste vodova uvijek je potrebno odvojiti od strujnih, preklopnih ili bilo kojih drugih bučnih vodova.
Slika dolje prikazuje zasebnu povratnu liniju od optičkog sprežnika do upravljačkog programa.
I ne samo to, već i upravljački krug može imati više vrsta komponenata, poput kondenzatora, RC filtara koji su potrebni za kontrolu rada upravljačkog kruga. Te komponente moraju biti postavljene usko preko vozača.
Smjernice za sklopne prigušnice i transformatore
Preklopni induktor je najveća dostupna komponenta u bilo kojoj ploči za napajanje nakon glomaznih kondenzatora. Jedan loš dizajn je usmjeravanje bilo kakve veze između kabela induktora. Važno je ne usmjeravati nikakve signale između napajanja ili jastučića induktivnosti filtra.
Također, kad god se transformatori koriste u napajanju, posebno u AC-DC SMPS, glavna upotreba ovog transformatora je izolacija ulaza s izlazom. Potrebna je odgovarajuća udaljenost između primarnih i sekundarnih jastučića. Jedan od najboljih načina za povećanje puzanja je primjenom presjeka PCB-a pomoću glodalnog sloja. Nikada nemojte koristiti bilo kakvu vrstu usmjeravanja između vodova transformatora.
Smjernice za izlazni most i odjeljak filtra
Izlazni most je Schottkyjeva dioda velike struje koja odvodi toplinu ovisno o struji opterećenja. U nekoliko slučajeva potrebni su hladnjaci s PCB-om koje treba stvoriti u samoj PCB pomoću bakrene ravnine. Učinkovitost hladnjaka proporcionalna je površini i debljini PCB bakra.
Dvije su vrste debljine bakra obično dostupne u PCB-ima, 35 mikrona i 70 mikrona. Što je debljina veća, to se smanjuje toplinska povezanost i područje hladnjaka s PCB-om. Ako je PCB dvoslojni, a grijani prostor donekle nije dostupan u PCB-u, mogu se koristiti obje strane bakrene ravnine i te dvije strane mogu se povezati pomoću zajedničkih vija.
Slika dolje je primjer hladnjaka PCB-a Schottky-jeve diode koji je stvoren u donjem sloju.
Kondenzator filtra odmah nakon Schottky diode treba postaviti vrlo usko preko transformatora ili sklopne prigušnice na takav način da opskrbna petlja kroz induktor, most diodu i kondenzator postane vrlo kratka. Na taj se način može smanjiti izlazno mreškanje.
Gornja slika je primjer kratke petlje od izlaza transformatora do mostne diode i kondenzatora filtra.
Smanjivanje odbijanja tla za SMPS izglede PCB-a
Prvo, ispunjavanje tla je neophodno, a odvajanje različitih ravnina uzemljenja u krugu napajanja je još jedna najvažnija stvar.
Iz perspektive sklopova, komutacijsko napajanje može imati jedno zajedničko tlo za sve komponente, ali to nije slučaj tijekom faze dizajniranja PCB-a. Prema perspektivi dizajna PCB-a, tlo je odvojeno na dva dijela. Prvi dio je uzemljenje napajanja, a drugi dio je analogno ili kontrolno uzemljenje. Ova dva osnova imaju istu vezu, ali postoji velika razlika. Analogno ili upravljačko uzemljenje koriste komponente povezane s krugom pogona. Te komponente koriste ravninu uzemljenja koja stvara povratni put slabe struje, s druge strane, strujno uzemljenje nosi povratni put velike struje. Komponente napajanja su bučne i mogle bi dovesti do nesigurnih problema s odbijanjem uzemljenja u upravljačkom krugu ako su izravno povezane u isto tlo. Slika dolje pokazuje kako su analogni i upravljački sklopovi potpuno izolirani od ostalih dalekovoda na PCB-u u jednoslojnom PCB-u.
Ova dva dijela treba razdvojiti i povezati ih u određenoj regiji.
To je lako ako je PCB dvostruki sloj, kao što se gornji sloj može koristiti kao kontrolno uzemljenje, a svi upravljački sklopovi trebaju biti povezani u zajedničku ravninu uzemljenja u gornjem sloju. S druge strane, donji sloj može se koristiti kao strujno uzemljenje i sve bučne komponente trebaju koristiti ovu ravninu tla. Ali ta su dva osnova ista veza i povezana u shemi. Sada, za povezivanje gornjeg i donjeg sloja, vias se mogu koristiti za spajanje obje zemaljske ravnine na jednom mjestu. Na primjer, pogledajte donju sliku -
Gornji dio pogonskog sklopa ima sve kondenzatore povezane s filtrom snage koji koriste masu odvojeno nazvanu Power GND, ali donji dio IC upravljačkog programa su sve komponente povezane s upravljanjem, koristeći zasebni upravljački GND. Oba su osnova ista veza, ali odvojeno stvorena. Obje GND veze su se zatim spojile preko upravljačkog programa IC.
Slijedite IPC standarde
Slijedite smjernice i pravila za PCB prema IPC standardu za dizajn PCB-a. To uvijek minimalizira šanse za pogreške ako dizajner slijedi standard za dizajn PCB-a opisan u IPC2152 i IPC-2221B. Uglavnom imajte na umu da širina tragova izravno utječe na temperaturu i nosivost struje. Stoga bi pogrešna širina tragova mogla dovesti do povećanja temperature i slabog protoka struje.
Razmak između dva tragovima Također je važno kako bi se izbjeglo neizvjesno kvar ili cross-talk, ponekad crossfires u visokoj trenutnoj primjeni visokog napona. IPC-9592B opisuje preporučeni razmak između dalekovoda u dizajnu PCB-a na temelju napajanja.
Kelvinova veza za Sense Line
Kelvinova veza je još jedan važan parametar u dizajnu ploče napajanja, zbog točnosti mjerenja koja utječe na sposobnost upravljačkog kruga. Upravljački krug napajanja uvijek zahtijeva nekakve mjere, bilo da je to osjetnik struje ili osjetnik napona u povratnoj ili osjetnoj liniji. Ovo otkrivanje treba izvesti iz vodova komponente na takav način da drugi signali ili tragovi ne ometaju osjetnu liniju. Kelvinova veza pomaže u postizanju istog, ako je osjetna crta diferencijalni par, duljina mora biti jednaka i za tragove i trag bi se trebao povezati preko vodova komponente.
Na primjer, Kelvinova veza ispravno je opisana u smjernicama za dizajn PCB-a za kontrolere napajanja tvrtke Texas Instruments.
Gornja slika prikazuje pravilno senziranje struje pomoću Kelvinove veze. Pravi spoj je pravi kelvin spoj koji će biti bitan za smisleni dizajn linije. Izgled PCB-a također je pravilno naveden u tom dokumentu.
Izgled PCB-a prikazuje usku vezu između keramičkog kondenzatora od 10nF i 1nF preko upravljačkog programa ili IC upravljačkog sklopa. Linija Sense također odražava ispravnu kelvinsku vezu. Unutarnji sloj napajanja odvojeni je izvorni vod koji je povezan s istim, ali odvojenim izvornim vodovima pomoću višestrukih vija za smanjenje sprezanja buke.