PCB: n asetteluohjeet kytkinmoodin virtapiireille

Kytkentävirtalähde on laajalti käytetty virtalähdeopologia tehoelektroniikassa. Olipa kyseessä monimutkainen CNC-kone tai kompakti elektroninen laite, niin kauan kuin laite on kytketty johonkin virtalähteeseen, SMPS-piiri on aina pakollinen. Virheellinen tai viallinen virtalähde voi johtaa tuotteen suureen vikaan riippumatta siitä, kuinka hyvin piiri on suunniteltu ja toimiva. Olemme jo suunnitelleet melko vähän SMPS-virtalähdepiirejä, kuten 12V 1A SMPS ja 5V 2A SMPS, käyttämällä Power Integration- ja Viper-ohjainpiiriä.

Jokainen kytkentävirtalähde käyttää kytkintä, kuten MOSFET tai tehotransistori, joka jatkuvasti kytketään päälle tai pois päältä kytkinohjaimen määrittelystä riippuen. Tämän PÄÄLLE- ja POIS-tilan kytkentätaajuus vaihtelee muutamasta sadasta kilohertsistä megahertsin alueeseen. Tällaisessa korkean taajuuden kytkentämoduulissa piirilevyn suunnittelutaktiikat ovat paljon tärkeämpiä, ja suunnittelija jättää sen joskus huomiotta. Esimerkiksi huono piirilevyn muotoilu voi johtaa koko piirin vikaantumiseen, ja hyvin suunniteltu piirilevy voi ratkaista monia epämiellyttäviä tapahtumia.

Yleisenä nyrkkisääntönä tässä opetusohjelmassa annetaan joitain yksityiskohtaisia piirteitä tärkeistä piirilevyjen suunnittelun asetteluohjeista, jotka ovat välttämättömiä kaikenlaiselle kytkintilan virtalähteeseen perustuvalle piirilevyn suunnittelulle. Voit myös tutustua SMPS-piirien EMI-vähennyksen suunnittelutekniikoihin.

Ensinnäkin, kytkentäisen virtalähteen suunnittelussa on oltava selkeä ilmoitus piirivaatimuksesta ja spesifikaatioista. Virtalähteessä on neljä tärkeää osaa.

Tulo- ja lähtösuodattimet.
Kuljettajan piirit ja niihin liittyvät komponentit kuljettajalle, erityisesti ohjauspiiri.
Kytkentäinduktorit tai muuntajat
Output Bridge ja siihen liittyvät suodattimet.

Piirilevyjen suunnittelussa nämä kaikki segmentit on erotettava piirilevyissä ja vaativat erityistä huomiota. Keskustelemme kustakin segmentistä yksityiskohtaisesti tässä artikkelissa.

Ohjeet syötteille ja niihin liittyville suodattimille

Tulo- ja suodatinosio ovat kohinaiset tai säätelemättömät syöttöjohdot, jotka kytketään piiriin. Siksi tulosuodattimen kondensaattoreiden on sijaittava tasaisesti etäisyydellä tuloliittimestä ja ohjainpiiristä. On välttämätöntä käyttää aina lyhyttä liitäntää tulo-osan kytkemiseksi ohjainpiiriin.

Yllä olevan kuvan korostetut kohdat edustavat suodatinkondensaattoreiden läheistä sijoittelua.

Ohjeet kuljettajapiirille ja ohjauspiirille

Ohjain koostuu pääasiassa sisäisestä MOSFETistä tai joskus kytkentä MOSFET on kytketty ulkoisesti. Kytkentäjohto kytkeytyy aina päälle ja pois päältä erittäin suurella taajuudella ja luo erittäin meluisen syöttöjohdon. Tämän osan on aina oltava erillinen kaikista muista liitännöistä.

Esimerkiksi korkean jännitteen DC-linja, joka menee suoraan muuntajaan (For flyback SMPS) tai DC-linja, joka menee suoraan tehoinduktoriin (Buck- tai Boost-topologiaan perustuvat kytkentäsäätimet), tulisi erottaa.

Alla olevassa kuvassa korostettu signaali on korkeajännitteinen tasajohto. Signaali reititetään siten, että se erotetaan muista signaaleista.

Yksi meluisimmista linjoista kytkinmoodin virtalähdesuunnittelussa on kuljettajan tyhjennystappi, olipa kyseessä AC-DC-takaisinkytkentä tai se voi olla buck-, boost- tai buck-boost-topologiaan perustuva pienitehoinen kytkentävirtalähde design. Se on aina erotettava kaikista muista yhteyksistä ja sen on oltava hyvin lyhyt, koska tämän tyyppiset reititykset kuljettavat yleensä erittäin korkeataajuisia signaaleja. Paras tapa eristää tämä signaalijohto muista on käyttää piirilevyn aukkoa käyttämällä jyrsintä- tai mittakerroksia.

Alla olevassa kuvassa on esitetty eristetty tyhjennystappiyhteys, jolla on turvallinen etäisyys Opto-liittimeen, ja PCB-aukko poistaa kaikki häiriöt muista reitityksistä tai signaaleista.

Toinen tärkeä seikka on, että ohjainpiirissä on melkein aina takaisinkytkentä tai havaittu linja (joskus useampi kuin yksi, kuten tulojännitetunnistuslinja, lähtöanturajohto), joka on erittäin herkkä ja kuljettajan toiminta on täysin riippuvainen havaitsemalla palautetta. Kaikenlaisen palautteen tai aistinlinjan tulisi olla lyhyempi, jotta vältetään melun kytkentä. Tämäntyyppiset johdot on aina erotettava virta-, kytkentä- tai muista meluisista linjoista.

Alla olevassa kuvassa on erillinen palauterivi optoerottimesta ohjaimeen.

Tämän lisäksi kuljettajapiirissä voi olla myös monentyyppisiä komponentteja, kuten kondensaattorit, RC-suodattimet, joita tarvitaan ohjainpiiritoimintojen ohjaamiseen. Nämä osat on sijoitettava tiiviisti kuljettajan poikki.

Ohjeita induktoreiden ja muuntajien kytkemiselle

Kytkentäinduktori on suurin käytettävissä oleva komponentti virtalähteessä suurten kondensaattorien jälkeen. Yksi huono muotoilu on reitittää kaikenlainen yhteys kelan johtimien välille. On välttämätöntä olla reitittämättä mitään signaaleja tehojen tai suodattimen induktorityynyjen välillä.

Aina kun muuntajia käytetään virtalähteessä, erityisesti AC-DC SMPS: ssä, tämän muuntajan pääasiallinen käyttötarkoitus on eristää tulo lähdöllä. Riittävä etäisyys ensisijaisten ja toissijaisten tyynyjen välillä vaaditaan. Yksi paras tapa lisätä virumista on levittää piirilevyjä käyttämällä jyrsintäkerrosta. Älä koskaan käytä minkäänlaista reititystä muuntajan johtimien välillä.

Ohjeet lähtösillalle ja suodatinosuudelle

Lähtösilta on suurivirtainen Schottky-diodi, joka johtaa lämpöä kuormavirrasta riippuen. Joissakin tapauksissa tarvitaan PCB-jäähdytyselementtejä, jotka on luotava itse piirilevyyn kuparitasoa käyttämällä. Jäähdytyselementin hyötysuhde on verrannollinen piirilevyn kuparipinta-alaan ja paksuuteen.

PCB: ssä on yleisesti saatavana kahta tyyppiä kuparia, 35 mikronia ja 70 mikronia. Mitä suurempi paksuus on, sitä parempi lämpöliitettävyys ja piirilevyn jäähdytyselementin alue lyhenevät. Jos piirilevy on kaksikerroksinen ja lämmitettyä tilaa ei ole jonkin verran käytettävissä piirilevyssä, voidaan käyttää kuparitason molempia puolia ja yhdistää nämä kaksi puolta käyttämällä yhteisiä läpivientiautoja.

Alla oleva kuva on esimerkki alempaan kerrokseen muodostetun Schottky-diodin piirilevyn jäähdytyselementistä.

Suodatinkondensaattori on heti Schottky-diodin jälkeen asetettava hyvin lähelle muuntajaa tai kytkentäinduktoria siten, että syöttösilmukka kelan , sillan diodin ja kondensaattorin läpi tulee hyvin lyhyeksi. Tällä tavoin ulostulon aaltoilua voidaan vähentää.

Yllä oleva kuva on esimerkki lyhyestä silmukasta muuntajan ulostulosta siltadiodiin ja suodatinkondensaattoriin.

SMPS-piirilevyasettelujen maadoituspoiston vähentäminen

Ensinnäkin maan täyttö on välttämätöntä ja erilaisten maatasojen erottaminen virtalähdepiirissä on toinen tärkein asia.

Piirien näkökulmasta kytkentävirtalähteellä voi olla yksi yhteinen maadoitus kaikille komponenteille, mutta näin ei ole piirilevyn suunnitteluvaiheessa. Piirilevyn suunnitteluperspektiivin mukaan maa on jaettu kahteen osaan. Ensimmäinen osa on tehomaadoitus ja toinen osa on analoginen tai ohjausmaadoitus. Näillä kahdella perusteella on sama yhteys, mutta ero on suuri. Analogista tai ohjausmaata käyttävät komponentit, jotka liittyvät ohjainpiiriin. Nämä komponentit käyttävät maatasoa, joka luo matalan virran paluureitin, ja toisaalta voimamaalla on suuri virran paluureitti. Tehokomponentit ovat meluisia ja voivat johtaa epävarmoihin maadoituspurkautumisongelmiin ohjauspiireissä, jos ne on kytketty suoraan samaan maahan. Alla oleva kuva osoittaa, kuinka analoginen ja ohjauspiiri on täysin eristetty piirilevyn muista voimajohdoista yksikerroksisessa piirilevyssä.

Nämä kaksi osaa on erotettava toisistaan ja liitettävä tietyllä alueella.

Tämä on helppoa, jos piirilevy on kaksikerroksinen, kuten yläkerrosta voidaan käyttää ohjausmaana ja kaikki ohjauspiirit tulisi kytkeä ylemmän kerroksen yhteiseen maatasoon. Toisaalta alinta kerrosta voidaan käyttää maadoituksena, ja kaikkien meluisten komponenttien tulisi käyttää tätä maatasoa. Mutta nämä kaksi perustetta ovat sama yhteys ja liitetty kaavioon. Nyt, ylemmän ja alemman kerroksen liittämiseksi, läpivientejä voidaan käyttää molempien maatasojen yhdistämiseen yhdessä paikassa. Katso esimerkiksi alla oleva kuva -

Kuljettajan yllä olevassa osassa on kaikki tehosuodattimeen liittyvät kondensaattorit, jotka käyttävät maatasoa, jota kutsutaan erikseen Power GND: ksi, mutta ohjain-IC: n alapuolinen osa on kaikki ohjaukseen liittyvät komponentit, käyttäen erillistä ohjauksen GND: tä. Molemmat perusteet ovat sama yhteys, mutta ne on luotu erikseen. Molemmat GND-yhteydet liittyivät sitten Driver IC: n yli.

Noudata IPC-standardeja

Noudata piirilevyn ohjeita ja sääntöjä IPC-piirilevyn suunnittelustandardin mukaisesti. Tämä minimoi aina virhemahdollisuudet, jos suunnittelija noudattaa piirilevyjen suunnittelustandardia, joka on kuvattu IPC2152: ssa ja IPC-2221B: ssä. Muista lähinnä , että jälkien leveys vaikuttaa suoraan lämpötilaan ja virran kantokykyyn. Siksi piikkien väärä leveys voi johtaa lämpötilan nousuun ja huonoon virtaukseen.

Väli kahden jälkiä on myös tärkeää välttää epävarma vika tai ylikuulumista, joskus crossfires korkean nykyinen korkea jännitteen. IPC-9592B kuvaa suositellun virtavälin virtalähteeseen perustuvassa piirilevysuunnittelussa.

Kelvin-yhteys Sense-linjalle

Kelvin-yhteys on toinen tärkeä parametri virtalähdekortin suunnittelussa, johtuen mittauksen tarkkuudesta, joka vaikuttaa ohjauspiirin kykyyn. Virtalähteen ohjauspiiri vaatii aina jonkinlaisia mittauksia, olipa kyseessä sitten virta- tai jänniteentunnistus takaisinkytkentä- tai sensorijohdossa. Tämä tunnistus tulisi tehdä komponenttiliittimistä siten, että muut signaalit tai jäljet eivät häiritse aistijonoa. Kelvin-yhteys auttaa saavuttamaan saman, jos aistiviiva on differentiaalipari, pituuden on oltava sama molemmille jälkille ja jäljen tulee liittyä komponenttikaapeleiden yli.

Esimerkiksi Kelvin-yhteys on kuvattu oikein Texas-instrumenttien Power Controllerien piirilevyjen suunnitteluohjeissa.

Yllä olevassa kuvassa näkyy oikea virran havaitseminen Kelvin-yhteyttä käyttäen. Oikea liitäntä on oikea kelvin-liitäntä, joka on olennainen sense-viivan suunnittelussa. Piirilevyn asettelu on myös annettu oikein kyseisessä asiakirjassa.

Piirilevyn asettelu osoittaa läheisen yhteyden 10nF- ja 1nF-keraamisten kondensaattorien välillä ohjaimen tai ohjaimen IC: n yli. Sense-linja heijastaa myös oikeaa kelvin-yhteyttä. Sisäinen tehokerros on erillinen lähdejohto, joka on kytketty samoihin mutta erotettuihin lähdejohtoihin käyttämällä useita läpivientiä kohinakytkennän vähentämiseksi.