Zasilacze odgrywają zasadniczą rolę w zastosowaniach systemowych. Wysokiej jakości konstrukcja PCB zasilacza może zoptymalizować wydajność energetyczną, ułatwić ciśnienie rozpraszania ciepła i obniżyć emisję hałasu, zapewniając większą dokładność i stabilność zasilania na zewnątrz. Obecnie liczne zastosowania produktów, takie jak przemysł, motoryzacja, komunikacja i konsumpcja, wymagają zminiaturyzowanych rozwiązań; w rezultacie wymagania dotyczące miniaturyzacji również odpowiednio wzrosły. W tym artykule omówione zostaną szczegóły układu PCB zasilaczy.
Podstawowe zasady układu PCB zasilacza.
Lokalizacja źródła zasilania
Przede wszystkim, rozważając PCB zasilaczy na wczesnym etapie projektowania systemu, należy wziąć pod uwagę ich lokalizację. Kluczową zasadą jest umieszczenie ich w pobliżu obciążenia, aby uniknąć zbyt długich ścieżek PCB i powstania zbyt dużej różnicy napięcia pomiędzy rzeczywistym napięciem obciążenia a ustawionym napięciem wyjściowym ustawionym przez zasilacze, co skutkuje niedokładnym pomiarem napięcia, wolniejszą odpowiedzią dynamiczną obciążenia i zmniejszoną wydajnością. Ponadto należy podać szacunkową powierzchnię zasilania; w przeciwnym razie nie będzie można zastosować się do wielu wytycznych dotyczących układu PCB i nie będzie można zagwarantować wydajności pracy tych zasilaczy.
Jednocześnie, jeśli system jest wyposażony w wentylator do odprowadzania ciepła, umieszczenie zasilacza w pobliżu wylotu powietrza pomoże skuteczniej rozproszyć ciepło, zwiększając jednocześnie wydajność energetyczną. Aby zapewnić skuteczne chłodzenie wentylatora, należy również dokładnie rozważyć jego ścieżkę rozpraszania ciepła, aby uniknąć blokowania wysokich elementów pasywnych (cewek indukcyjnych i kondensatorów elektrolitycznych) przed utrudnianiem skutecznego rozpraszania ciepła przez krótkie elementy aktywne, takie jak lampy MOS i sterowniki PWM.
Proces projektowania wielowarstwowych płytek PCB
W ramach projektowania wielowarstwowych płytek PCB często zaleca się dodanie warstwy uziemienia lub napięcia stałego jako warstwy ekranującej pomiędzy warstwami wysokoprądowymi (takimi jak napięcie wejściowe lub napięcie wyjściowe) a wrażliwymi warstwami małych sygnałów. Warstwa uziemienia lub warstwa napięcia stałego może skutecznie izolować wrażliwe małe sygnały i pętle mocy, aby uniknąć zakłóceń małych sygnałów. Projektując układ warstwy uziemienia lub napięcia stałego, priorytetem jest, jeśli to możliwe, minimalizacja okablowania w celu zapewnienia nieprzerwanej warstwy.
Jeśli to konieczne, upewnij się, że linie biegną w tym samym kierunku, co okablowanie wysokoprądowe warstw mocy, aby zminimalizować zakłócenia małych sygnałów. Jeśli konieczne jest dodatkowe okablowanie, należy zastosować podobne okablowanie wysokoprądowe warstw mocy, aby zmniejszyć zakłócenia między nimi. Na przykład:
Opcja 1(nieefektywny projekt)
6-warstwowa płytka drukowana
Warstwa 1: Urządzenie zasilające
Warstwa 2: Mały sygnał
Poziom 3: Poziom gruntu
Warstwa 4: napięcie prądu stałego lub warstwa podłogowa
Warstwa 5: Mały sygnał
Warstwa 6: Urządzenie zasilające lub kontroler
4-warstwowa płytka drukowana
Warstwa 1: Urządzenie zasilające
Warstwa 2: Mały sygnał
Poziom 3: Poziom gruntu
Warstwa 4: Mały sygnał lub kontroler
Opcja 2(efektowny projekt)
6-warstwowa płytka drukowana
Warstwa 1: Urządzenie zasilające
Poziom 2: Poziom gruntu
Warstwa 3: Mały sygnał
Warstwa 4: napięcie prądu stałego lub warstwa podłogowa
Warstwa 5: Mały sygnał
Warstwa 6: Urządzenie zasilające lub kontroler
4-warstwowa płytka drukowana
Warstwa 1: Urządzenie zasilające
Poziom 2: Poziom gruntu
Warstwa 3: Mały sygnał
Warstwa 4: Mały sygnał lub kontroler
Opcja 1 to nieefektywny projekt, w którym mała warstwa sygnału jest uwięziona pomiędzy warstwą uziemiającą a warstwą wysokoprądową, zwiększając sprzężenie pojemnościowe między nią a warstwami wysokoprądowymi, a w konsekwencji zwiększając prawdopodobieństwo zakłóceń pomiędzy małymi sygnałami z warstwami wysokoprądowymi.
Układ urządzenia zasilającego
Obwód zasilacza impulsowego składa się z dwóch pętli – pętli mocy i pętli sterowania małosygnałowego. W pętli mocy znajdują się urządzenia przewodzące duże prądy, takie jak cewki indukcyjne, kondensatory i tranzystory MOS – urządzenia te należy rozmieścić przed rozpoczęciem. Tymczasem pętla sterowania małym sygnałem obejmuje rezystory sprzężenia zwrotnego, sieci kompensacyjne, ustawienia częstotliwości i ustawienia nadprądowe, zwykle umieszczone w określonych miejscach na chipie mocy.
Obliczanie szerokości linii energetycznej
Ze względu na wielkość prądu przepływającego przez linie energetyczne, zwężenie linii spowoduje zwiększone straty i temperaturę PCB.
Idealny do obliczeń szerokości linii od 1 A do 20 A przy prądach, gdzie W to szerokość linii mierzona w milach; I to prąd mierzony w amperach; Tcu to masa miedzi w OZ materiału miedzianego PCB ważona w OZ.
Zakładając na przykład prąd 5 A i masę miedzi 1 uncję, minimalna wymagana szerokość linii wyniesie 120 milimetrów.
Oto wzór empiryczny na szerokość linii:
Układ pętli z dużą szybkością zmiany prądu
Wszystkie komponenty, takie jak ścieżki PCB, zawierają pasożytniczą indukcyjność, pojemność i rezystancję, które będą się zmieniać wraz ze zmianami prądu. Nagła zmiana prądu może spowodować skoki napięcia na indukcyjności pasożytniczej, które przekraczają wymagania dotyczące napięcia wytrzymywanego i rozprzestrzeniają zakłócenia na zewnątrz, jeszcze bardziej zmniejszając szanse na pomyślne przejście testu EMI.
Rysunek 1 Pokazana jest podstawowa struktura obwodu Buck.
Rysunek 1 przedstawia podstawową strukturę obwodu Buck. Po pierwsze, zielone linie wskazują, gdzie płynie prąd, gdy górna lampa jest włączona; czerwone linie przedstawiają bieżące ścieżki, gdy są wyłączone; pętle o dużej szybkości zmiany prądu mają tylko jeden kolor, który oznacza ich udział w obwodzie – ta metoda ma zastosowanie do wszystkich topologii obwodów.
Rysunek 2. Obwód buck dla pętli o dużej szybkości zmiany prądu
Rysunek 2 przedstawia pętlę o dużej szybkości zmian prądu obwodu Buck, kolor niebieski reprezentuje pętlę o dużej szybkości zmian prądu. Konieczne jest zapewnienie oddzielenia podłoża i płaszczyzny; jego kondensatory odsprzęgające mają zwykle wartość od 0.1 uF do 10 uF; są to kondensatory ceramiczne typu X5R lub X7R o małej pasożytniczej indukcyjności i charakterystyce rezystancji, które zapewniają dobrą ścieżkę przepływu prądu przy dużych szybkościach zmian prądu.
Rysunek 3 Zarys obwodu doładowania
Rysunek 4. Obwód wzmacniający dla pętli o dużej szybkości zmiany prądu
Podobnie jak jego odpowiednik, obwód Boost można analizować i projektować przy użyciu tej samej metody, co w przypadku obwodów Buck (rysunki 3 i 4 przedstawiają odpowiednio podstawową strukturę obwodu Boost i pętlę o dużej szybkości zmiany prądu).
HUkład węzła wysokiego napięcia
Zasilacze impulsowe mają węzły pomiędzy tranzystorami MOS z lampami przełączającymi a diodami jednokierunkowymi (lub prostownikami lampowymi MOS), które szybko przełączają się między napięciem uziemienia a wysokim napięciem, a szybkość zmiany napięcia jest szybka; napięcie ich węzła, zwane „napięciem dzwonienia”, jest źródłem większości zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
Aby zminimalizować sprzężenie z małymi liniami sygnałowymi wrażliwymi na szum, należy zminimalizować obszar wokół węzłów przełączających, ale należy pamiętać, że węzeł ten nie może być zbyt mały!
Rysunek 5. Schemat obciążenia SCT2360 Schemat wejścia 12 V, wyjścia 5 V i prądu 6 A
Dlatego w projektach płytek wielowarstwowych korzystne jest dodanie płaszczyzny uziemienia do następnej warstwy od węzła przełączającego, aby zapewnić lepszą izolację i zmniejszoną propagację hałasu.
SCT2360 służy jako przykład, w którym L1 i SW są usytuowane stosunkowo blisko; Należy zmaksymalizować rozpraszanie ciepła przez węzły miedziane, aby zmniejszyć zdolność propagacji hałasu. Eashub wziął ten problem pod uwagę przy projektowaniu swojego chipa, aby zminimalizować połączenia pętlowe pomiędzy BST i SW (tj. na sąsiednich pinach).
Rysunek 6 Układ SCT2360
Układ kondensatora filtra wysokiej częstotliwości.
Kondensatory filtrujące wysokiej częstotliwości są istotną częścią każdego układu elektronicznego, służącą do ochrony przed dużymi pętlami szybkości zmiany prądu i zmniejszania naprężeń napięciowych. Na przykład w SCT2360 kondensator C3 znajduje się najbliżej PIN-u VIN i PIN-u PGND chipa, poprzez krótką, ale grubą linię łączącą.
Tabela 2 przedstawia przykład układu kondensatorów filtra wysokiej częstotliwości (bez przelotek).
Tabela 3 Poniższa tabela przedstawia przykład układu kondensatorów filtra wysokiej częstotliwości (z przelotkami).
Wiele układów zasilania
Jeśli wiele zasilaczy współdzielących źródło wejściowe w systemie nie działa synchronicznie ze sobą, ścieżki ich zasilania wejściowego muszą zostać oddzielone, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się szumu wspólnego między tymi zasilaczami zarówno na wejście, jak i do masy oraz wzajemnym zakłócaniu się .
Tabela 4 zawiera przykłady konfiguracji zasilaczy wielozadaniowych.
Wnioski:
Szacuje się, że 80% problemów związanych z projektowaniem PCB zasilaczy ma swoje źródło w układzie PCB. Poświęcenie odpowiedniej ilości czasu na układ PCB na wczesnym etapie może znacznie skrócić czas późniejszego debugowania i skrócić cykle rozwoju. Produkty serii SCT23xx oferujące optymalizację pinów chipa mogą pomóc klientom w osiągnięciu optymalnego układu PCB w celu uzyskania najlepszej wydajności energetycznej.
Eashub stara się dostarczać wyjątkowe szczegóły układów zasilania i nadal tworzy najwyższej jakości produkty z układami zasilania, aby zapewnić klientom optymalne rozwiązania.
