Retningslinjer for design af pcb til switch-mode strømforsyningskredsløb

Skiftende strømforsyning er en meget anvendt strømforsyningstopologi inden for strømelektronik. Uanset om det kan være en kompliceret CNC-maskine eller en kompakt elektronisk enhed, så længe enheden er tilsluttet en slags strømforsyning, er et SMPS-kredsløb altid obligatorisk. Forkert eller defekt strømforsyningsenhed kan føre til en stor fejl i produktet uanset hvor veldesignet og funktionelt kredsløbet kan være. Vi har allerede designet en hel del SMPS-strømforsyningskredsløb som 12V 1A SMPS og 5V 2A SMPS ved hjælp af henholdsvis Power Integration og Viper controller IC.

Hver skiftende strømforsyning bruger en switch som en MOSFET eller en strømtransistor, der konstant tændes eller slukkes afhængigt af skiftedriverspecifikationen. Koblingsfrekvensen for denne TIL- og FRA-tilstand varierer fra et par hundrede kilohertz til megahertz-område. I et sådant højfrekvent skiftemodul er PCB-designtaktikken langt mere vigtig, og det overses undertiden af designeren. For eksempel kan et dårligt printkortdesign føre til fiasko i hele kredsløbet, såvel som veldesignet printkort kan løse mange ubehagelige begivenheder.

Som en generel tommelfingerregel vil denne vejledning give nogle detaljerede aspekter af vigtige retningslinjer for printdesignlayout, der er vigtige for enhver form for switch-mode strømforsyningsbaseret PCB-design. Du kan også tjekke designteknikkerne til EMI-reduktion i SMPS-kredsløb.

Først og fremmest, når man designer en switch-mode strømforsyning, skal man have en klar indikation af kredsløbskravet og specifikationerne. Strømforsyningen har fire vigtige dele.

Input og output filtre.
Driverkredsløb og tilhørende komponenter til føreren, især kontrolkredsløb.
Skifteinduktorer eller transformere
Output Bridge og de tilknyttede filtre.

I et printkortdesign skal disse alle segmenter adskilles i printkort og kræver særlig opmærksomhed. Vi vil diskutere hvert segment detaljeret i denne artikel.

Retningslinjer for input og tilknyttede filtre

Indgangs- og filtersektionen er, hvor de støjende eller uregulerede forsyningsledninger bliver forbundet til kredsløbet. Derfor skal indgangsfilterkondensatorerne placeres i en jævn afstand fra indgangsstikket og driverkredsen. Det er vigtigt altid at bruge en kort tilslutningslængde til at forbinde indgangssektionen med førerkredsen.

De fremhævede sektioner i ovenstående billede repræsenterer den tætte placering af filterkondensatorerne.

Retningslinjer for førerkredsløb og kontrolkredsløb

Driveren består hovedsageligt af en intern MOSFET eller undertiden er MOSFET-skiftet eksternt forbundet. Skiftelinjen bliver altid tændt og slukket i meget høj frekvens og skaber en meget støjende forsyningsledning. Denne del skal altid være adskilt fra alle andre forbindelser.

For eksempel skal den højspændte jævnstrømsledning, der direkte går til transformatoren (For flyback SMPS) eller jævnstrømsledningen, der direkte går til strøminduktoren (Buck eller Boost topologi-baserede omskifteregulatorer) adskilles.

I nedenstående billede er det fremhævede signal højspændings DC-linjen. Signalet dirigeres på en sådan måde, at det adskilles fra andre signaler.

En af de mest støjende linjer i et switch-mode strømforsyningsdesign er driverens afløbstap, uanset om det er et AC til DC flyback-design, eller det kan være en buck, boost eller buck-boost topologibaseret strømforsyning med lavt strømskifte design. Det skal altid adskilles fra alle andre forbindelser såvel som det skal være meget kort, fordi denne type routinger generelt bærer meget højfrekvente signaler. Den bedste måde at isolere denne signallinje fra andre er at bruge PCB-udskæring ved hjælp af fræsning eller dimensionslag.

I nedenstående billede vises en isoleret afløbsstifttilslutning, der har en sikker afstand fra Opto-koblingen såvel som printkortudskæringen fjerner interferens fra andre routings eller signaler.

Et andet vigtigt punkt er, at et førerkredsløb næsten altid har feedback eller følt linje (nogle gange mere end en, såsom indgangsspændingsfølelseslinje, outputfølelseslinje), der er meget følsom, og driverfunktionen er fuldstændig afhængig ved at registrere feedbacken. Enhver form for feedback eller sanselinje skal være kortere for at undgå støjkobling. Disse typer linjer skal altid adskilles fra strømmen, skiftet eller andre støjende linjer.

Nedenstående billede viser en separat feedbacklinje fra optokobleren til driveren.

Ikke kun dette, men et førerkredsløb kan også have flere typer komponenter som kondensatorer, RC-filtre, der kræves for at kontrollere driverens kredsløb. Disse komponenter skal placeres tæt på føreren.

Retningslinjer for skifteinduktorer og transformere

Switching Inductor er den største tilgængelige komponent i ethvert strømforsyningskort efter store kondensatorer. Et dårligt design er at dirigere enhver form for forbindelse mellem induktorkablerne. Det er vigtigt ikke at føre signaler mellem strømforsyningen eller filterinduktorpuder.

Når transformatorer bruges i en strømforsyning, især i AC-DC SMPS, er den primære anvendelse af denne transformer også at isolere input med output. Tilstrækkelig afstand mellem primære og sekundære elektroder er påkrævet. En bedste måde at øge krybning på er ved at anvende en PCB-afskæring ved hjælp af et fræsningslag. Brug aldrig nogen form for routing mellem transformerledningerne.

Retningslinjer for Output Bridge og Filter sektion

Udgangsbroen er en Schottky-diode med høj strøm, der spreder varme afhængigt af belastningsstrømmen. I nogle få tilfælde kræves der printkortkølelegemer, der skal oprettes i selve printkortet ved hjælp af kobberplanet. Kølelegemets effektivitet er proportional med PCB-kobberområdet og tykkelsen.

Der er to typer kobbertykkelse, der almindeligvis findes i printkort, 35 mikron og 70 mikron. Jo højere tykkelsen er, desto bedre afkortes termisk tilslutning og PCB-kølelegemet. Hvis printkortet er et dobbeltlag, og det opvarmede rum ikke er tilgængeligt i et printkort, kan man bruge begge sider af kobberplanet og kunne forbinde disse to sider ved hjælp af fælles vias.

Billedet nedenfor er et eksempel på PCB-kølelegeme til en Schottky-diode, der oprettes i bundlaget.

Filterkondensatoren lige efter Schottky-dioden skal placeres meget tæt på transformeren eller omskifterinduktoren på en sådan måde, at forsyningssløjfen gennem induktoren, brodioden og kondensatoren bliver meget kort. På en sådan måde kan output krusning reduceres.

Ovenstående billede er et eksempel på en kort sløjfe fra transformerudgangen til brodioden og filterkondensatoren.

Reduktion af grundhopp til SMPS PCB-layout

For det første er jordfyldningen vigtig, og det er en anden vigtig ting at adskille forskellige jordplaner i et strømforsyningskredsløb.

Fra kredsløbsperspektivet kan en skiftende strømforsyning have en fælles fælles grund for alle komponenter, men det er ikke tilfældet under printfasens designfase. I henhold til PCB-designperspektivet er jorden adskilt i to dele. Den første del er strømjord, og den anden del er analog eller kontroljord. Disse to grunde har samme forbindelse, men der er en stor forskel. Analog eller kontroljord bruges af de komponenter, der er forbundet med førerkredsløbet. Disse komponenter bruger et jordplan, der skaber en returstrøm med lav strøm, på den anden side bærer kraftjorden den høje strømreturvej. Strømkomponenter er støjende og kan føre til usikre problemer med jordudspring i kontrolkredsløb, hvis de er direkte forbundet i samme jord. Nedenstående billede viser, hvordan det analoge og kontrolkredsløb er fuldstændigt isoleret fra andre kraftledninger på printkortet i et enkeltlags printkort.

Disse to dele skal adskilles og skal forbindes i en bestemt region.

Dette er let, hvis printkortet er et dobbeltlag, ligesom det øverste lag kan bruges som kontroljord, og alle styrekredsløb skal forbindes i det fælles jordplan i det øverste lag. På den anden side kan det nederste lag bruges som strømstød, og alle støjende komponenter skal bruge dette jordplan. Men disse to grunde er den samme forbindelse og forbundet i skematisk. Nu, til at forbinde det øverste og nederste lag, kan vias bruges til at forbinde begge jordplaner på et enkelt sted. Se f.eks. Nedenstående billede -

Ovenstående del af driveren har alle effektfilterrelaterede kondensatorer, der bruger et jordplan separat kaldet Power GND, men den nedenstående del af driver IC er alle kontrolrelaterede komponenter ved hjælp af en separat kontrol GND. Begge grunde er den samme forbindelse, men oprettes separat. Begge GND-forbindelser sluttede sig derefter på tværs af Driver IC.

Følg IPC-standarderne

Følg PCB-retningslinjerne og reglerne i henhold til IPC PCB-designstandarden. Dette minimerer altid fejlchancerne, hvis designeren følger PCB-designstandarden beskrevet i IPC2152 og IPC-2221B. Husk hovedsageligt, at sporernes bredde direkte påvirker temperaturen og den aktuelle bæreevne. Derfor kan den forkerte bredde af sporene føre til en temperaturstigning og dårlig strømgennemstrømning.

Den afstand mellem to spor er også vigtigt at undgå usikre fejl eller krydstale, undertiden crossfires i høj nuværende høje spænding ansøgning. IPC-9592B beskriver den anbefalede afstand mellem kraftledningerne i strømforsyningsbaseret printkortdesign.

Kelvin-forbindelse til Sense Line

Kelvin-forbindelse er en anden vigtig parameter i design af strømforsyningskortet på grund af målingens nøjagtighed, der påvirker styringskredsløbets evne. Et strømforsyningskontrolkredsløb kræver altid en slags målinger, hvad enten det er strømregistrering eller spændingsregistrering i feedback- eller senselinien. Denne registrering skal udføres fra komponentledningerne på en sådan måde, at andre signaler eller spor ikke forstyrrer senselinien. Kelvin-forbindelse hjælper med at opnå det samme, hvis sense-linjen er et differentielt par, skal længden være den samme for begge sporene, og sporet skal forbinde på tværs af komponentledningerne.

For eksempel er Kelvin-forbindelsen korrekt beskrevet i PCB-designretningslinjerne for strømstyringer fra Texas-instrumenter.

Ovenstående billede viser korrekt strømføling ved hjælp af en Kelvin-forbindelse. Den rigtige forbindelse er den korrekte kelvin-forbindelse, der vil være afgørende for sense line design. PCB-layoutet er også angivet korrekt i dette dokument.

Printkortlayoutet viser en tæt forbindelse mellem den keramiske kondensator 10nF og 1nF på tværs af driver eller controller IC. Sense-linjen afspejler også den korrekte kelvin-forbindelse. Det indre kraftlag er en adskilt kildelinje, der er forbundet med de samme, men adskilte kildelinjer ved hjælp af flere vias til reduktion af støjkobling.