Richtlijnen voor het ontwerpen van printplaten voor voedingscircuits met schakelmodus

Schakelende voeding is een veel gebruikte voedingstopologie in vermogenselektronica. Of het nu gaat om een ​​gecompliceerde CNC-machine of een compact elektronisch apparaat, zolang het apparaat is aangesloten op een of andere voeding is een SMPS-circuit altijd verplicht. Onjuiste of defecte voedingseenheid kan leiden tot een grote storing van het product, ongeacht hoe goed ontworpen en functioneel het circuit is. We hebben al heel wat SMPS-voedingscircuits ontworpen, zoals de 12V 1A SMPS en de 5V 2A SMPS met respectievelijk de Power Integration en Viper controller IC.

Elke schakelende voeding gebruikt een schakelaar zoals een MOSFET of een vermogenstransistor die constant AAN of UIT wordt gezet, afhankelijk van de specificatie van het schakelende stuurprogramma. De schakelfrequentie van deze AAN- en UIT-toestand varieert van een paar honderd kilohertz tot megahertz bereik. In zo'n hoogfrequente schakelmodule is de tactiek van het PCB-ontwerp veel belangrijker en wordt deze soms over het hoofd gezien door de ontwerper. Een slecht PCB-ontwerp kan bijvoorbeeld leiden tot het uitvallen van het hele circuit en een goed ontworpen PCB kan veel onaangename gebeurtenissen oplossen.

Als algemene vuistregel zal deze tutorial enkele gedetailleerde aspecten bieden van belangrijke richtlijnen voor het ontwerpen van PCB's die essentieel zijn voor elk type PCB-ontwerp op basis van switch-mode voeding. U kunt ook de ontwerptechnieken voor EMI-reductie in SMPS-circuits bekijken.

Allereerst, voor het ontwerpen van een schakelende voeding, moet men een duidelijke indicatie hebben van de circuitvereisten en specificaties. De voeding heeft vier belangrijke delen.

1. Invoer- en uitvoerfilters.
2. Stuurcircuits en bijbehorende componenten voor de driver, met name het regelcircuit.
3. Schakelen tussen inductoren of transformatoren
4. Output Bridge en de bijbehorende filters.

In een PCB-ontwerp moeten deze alle segmenten worden gescheiden in PCB's en vereisen ze speciale aandacht. In dit artikel zullen we elk segment in detail bespreken.

Richtlijnen voor invoer- en bijbehorende filters

De ingang en het filtersectie is waar de luidruchtige of ongeregelde toevoerleidingen op het circuit worden aangesloten. Daarom moeten de ingangsfiltercondensatoren zich op een gelijkmatige afstand van de ingangsconnector en het stuurcircuit bevinden. Het is essentieel om altijd een korte aansluitlengte te gebruiken om het ingangsgedeelte met het stuurcircuit te verbinden.

De gemarkeerde secties in de bovenstaande afbeelding vertegenwoordigen de nauwe plaatsing van de filtercondensatoren.

Richtlijnen voor stuurcircuits en stuurcircuits

De driver bestaat voornamelijk uit een interne MOSFET of soms is de schakelende MOSFET extern aangesloten. De schakellijn wordt altijd AAN en UIT gezet met een zeer hoge frequentie en creëert een zeer luidruchtige toevoerleiding. Dit gedeelte moet altijd gescheiden zijn van alle andere verbindingen.

De hoogspannings-DC-lijn die rechtstreeks naar de transformator gaat (voor flyback-SMPS) of de DC-lijn die rechtstreeks naar de vermogensinductor gaat (Buck of Boost-topologie-gebaseerde schakelregelaars) moet bijvoorbeeld worden gescheiden.

In de onderstaande afbeelding is het gemarkeerde signaal de DC-hoogspanningslijn. Het signaal wordt zo geleid dat het gescheiden is van andere signalen.

Een van de meest luidruchtige lijnen in het ontwerp van een schakelende voeding is de afvoerpin van de driver, of het nu een AC naar DC flyback-ontwerp is of het kan een buck, boost of buck-boost topologie-gebaseerde laagvermogen schakelende voeding zijn ontwerp. Het moet altijd gescheiden zijn van alle andere verbindingen en het moet ook erg kort zijn omdat dit soort routings over het algemeen zeer hoogfrequente signalen transporteert. De beste manier om deze signaallijn van anderen te isoleren, is door PCB-uitsnijding te gebruiken door frees- of maatlagen te gebruiken.

In de onderstaande afbeelding wordt een geïsoleerde afvoerpin-aansluiting getoond die een veilige afstand heeft van de opto-coupler en de uitgesneden printplaat eventuele interferentie van andere routings of signalen zal verwijderen.

Een ander belangrijk punt is dat een stuurcircuit bijna altijd een feedback- of gedetecteerde lijn heeft (soms meer dan één, zoals ingangsspanningsdetectielijn, outputdetectielijn) die erg gevoelig is en dat de werking van de driver volledig afhankelijk is van het detecteren van feedback. Elke vorm van feedback of detectielijn moet korter zijn om ruiskoppeling te voorkomen. Dit soort lijnen moet altijd worden gescheiden van de stroom, schakelen of andere luidruchtige lijnen.

De onderstaande afbeelding toont een aparte feedbacklijn van optocoupler naar de driver.

Niet alleen dit, maar een stuurcircuit kan ook meerdere soorten componenten hebben, zoals condensatoren, RC-filters die nodig zijn om de werking van het stuurcircuit te regelen. Die componenten moeten dicht over de driver worden geplaatst.

Richtlijnen voor het schakelen van inductoren en transformatoren

Switching Inductor is na omvangrijke condensatoren de grootste beschikbare component in elke voedingskaart. Een slecht ontwerp is om elke vorm van verbinding tussen de inductordraden te leggen. Het is essentieel om geen signalen tussen de vermogens of filterinductorpads te leiden.

Ook wanneer transformatoren worden gebruikt in een voeding, vooral in AC-DC SMPS, is het belangrijkste gebruik van deze transformator om de ingang en de uitgang te isoleren. Er is voldoende afstand tussen de primaire en secundaire elektroden vereist. Een beste manier om kruip te vergroten, is door een PCB-cutoff aan te brengen met behulp van een freeslaag. Gebruik nooit een routering tussen de transformatorkabels.

Richtlijnen voor uitvoerbrug en filtersectie

De uitgangsbrug is een Schottky-diode met hoge stroomsterkte die warmte afvoert afhankelijk van de belastingsstroom. In een paar gevallen zijn PCB-koellichamen vereist die in de PCB zelf moeten worden gemaakt met behulp van het koperen vlak. De efficiëntie van het koellichaam is evenredig met het koperoppervlak en de dikte van de PCB.

Er zijn twee soorten koperdiktes die algemeen verkrijgbaar zijn in PCB's, 35 micron en 70 micron. Hoe hoger de dikte, hoe beter de thermische connectiviteit en hoe kleiner de printplaat is. Als de PCB een dubbele laag is en de verwarmde ruimte enigszins niet beschikbaar is in een PCB, kan men beide zijden van het koperen vlak gebruiken en die twee zijden met elkaar verbinden via gemeenschappelijke via's.

De onderstaande afbeelding is een voorbeeld van een PCB-heatsink van een Schottky-diode die in de onderste laag is gemaakt.

De filtercondensator direct na de Schottky-diode moet heel dicht over de transformator of de schakelinductor worden geplaatst, zodat de toevoerlus door de inductor , brugdiode en condensator erg kort wordt. Op deze manier kan de output rimpel worden verminderd.

De bovenstaande afbeelding is een voorbeeld van een korte lus van de transformatoruitgang naar de brugdiode en filtercondensator.

Vermindering van grondbounce voor SMPS-PCB-lay-outs

Ten eerste is de grondvulling essentieel en is het scheiden van verschillende grondvlakken in een voedingscircuit een ander zeer belangrijk ding.

Vanuit het perspectief van de schakeling kan een schakelende voeding een enkele gemeenschappelijke aarde hebben voor alle componenten, maar dit is niet het geval tijdens de ontwerpfase van de printplaat. Volgens het PCB-ontwerpperspectief is de grond in twee delen verdeeld. Het eerste deel is vermogensaarde en het tweede deel is analoog of stuuraarde. Deze twee gronden hebben dezelfde verbinding, maar er is een groot verschil. Analoge of stuuraarde wordt gebruikt door de componenten die zijn gekoppeld aan het stuurcircuit. Die componenten gebruiken een grondvlak dat een retourpad met lage stroom creëert, aan de andere kant draagt ​​de voedingsaarde het retourpad met hoge stroom. Voedingscomponenten zijn luidruchtig en kunnen leiden tot onzekere aardingsstuitingsproblemen in de besturingsschakelingen als ze rechtstreeks op dezelfde aarde zijn aangesloten. De onderstaande afbeelding laat zien hoe het analoge en stuurcircuit volledig is geïsoleerd van andere voedingslijnen van de PCB in een enkellaags PCB.

Deze twee delen moeten worden gescheiden en moeten in een bepaalde regio met elkaar worden verbonden.

Dit is gemakkelijk als de PCB een dubbele laag is, zoals de bovenste laag kan worden gebruikt als een stuuraarde en alle stuurschakelingen moeten worden aangesloten op het gemeenschappelijke aardingsvlak in de bovenste laag. Aan de andere kant kan de onderste laag worden gebruikt als voedingsaarde en moeten alle luidruchtige componenten dit massaplaat gebruiken. Maar die twee gronden zijn dezelfde verbinding en verbonden in het schema. Nu, voor het verbinden van de bovenste en onderste lagen, kunnen via's worden gebruikt om beide grondvlakken op één plaats te verbinden. Zie bijvoorbeeld de onderstaande afbeelding -

Het bovenstaande gedeelte van de driver heeft alle vermogensfiltergerelateerde condensatoren die een aardingsvlak gebruiken dat afzonderlijk Power GND wordt genoemd, maar het onderstaande gedeelte van het driver-IC bestaat uit alle besturingsgerelateerde componenten, met behulp van een afzonderlijke besturings-GND. Beide gronden zijn dezelfde verbinding maar afzonderlijk gemaakt. Beide GND-verbindingen werden vervolgens samengevoegd via het stuurprogramma-IC.

Volg de IPC-normen

Volg de PCB-richtlijnen en -regels volgens de IPC PCB-ontwerpnorm. Dit minimaliseert altijd de kans op fouten als de ontwerper de PCB-ontwerpstandaard volgt die wordt beschreven in IPC2152 en IPC-2221B. Onthoud vooral dat de breedte van de sporen een directe invloed heeft op de temperatuur en het huidige draagvermogen. Daarom kan de verkeerde breedte van de sporen leiden tot een temperatuurstijging en een slechte stroomafname.

De afstand tussen twee sporen is ook belangrijk om onzekere uitval of overspraak te voorkomen, soms kruisbranden bij hoogspanningstoepassingen. IPC-9592B beschrijft de aanbevolen afstand tussen de voedingskabels in een op de voeding gebaseerd PCB-ontwerp.

Kelvin-aansluiting voor Sense Line

Kelvin-verbinding is een andere belangrijke parameter in het ontwerp van de voedingskaart, vanwege de nauwkeurigheid van de meting die het vermogen van het regelcircuit beïnvloedt. Een stuurcircuit voor de voeding vereist altijd een soort van metingen, of het nu gaat om stroomdetectie of spanningsdetectie in de feedback- of detectielijn. Deze detectie moet worden uitgevoerd vanaf de componentdraden op een zodanige manier dat andere signalen of sporen de detectielijn niet storen. Kelvin-verbinding helpt om hetzelfde te bereiken, als de detectielijn een differentieel paar is, moet de lengte voor beide sporen hetzelfde zijn en moet het spoor over de componentdraden worden aangesloten.

De Kelvin-verbinding wordt bijvoorbeeld correct beschreven in de PCB-ontwerprichtlijnen van Power controllers van Texas Instruments.

De bovenstaande afbeelding toont de juiste stroomdetectie met behulp van een Kelvin-verbinding. De juiste verbinding is de juiste Kelvin-verbinding die essentieel zal zijn voor het ontwerp van detectielijnen. De lay-out van de print wordt ook correct weergegeven in dat document.

De lay-out van de printplaat toont een nauwe verbinding tussen de 10nF en 1nF keramische condensator over de driver- of controller-IC. De Sense-lijn weerspiegelt ook de juiste Kelvin-verbinding. De binnenste vermogenslaag is een gescheiden source-lijn die is verbonden met dezelfde maar gescheiden source-lijnen met behulp van meerdere via's voor het verminderen van ruiskoppeling.