Anahtarlamalı güç kaynağı devreleri için PCB yerleşim tasarım yönergeleri

Anahtarlamalı güç kaynağı, güç elektroniğinde yaygın olarak kullanılan bir güç kaynağı topolojisidir. İster karmaşık bir CNC Makinesi ister kompakt bir elektronik cihaz olsun, cihaz bir çeşit güç kaynağına bağlı olduğu sürece bir SMPS devresi her zaman zorunludur. Uygun olmayan veya hatalı Güç kaynağı ünitesi, devrenin ne kadar iyi tasarlanmış ve işlevsel olduğuna bakılmaksızın üründe büyük bir arızaya neden olabilir. Sırasıyla Güç Entegrasyonu ve Viper denetleyici IC kullanarak 12V 1A SMPS ve 5V 2A SMPS gibi epeyce SMPS Güç Kaynağı devresi tasarladık.

Her Anahtarlama güç kaynağı, anahtarlama sürücüsünün özelliklerine bağlı olarak sürekli AÇIK veya KAPALI hale gelen bir MOSFET veya güç transistörü gibi bir anahtar kullanır. Bu AÇIK ve KAPALI durumunun anahtarlama frekansı birkaç yüz kilohertz ile megahertz aralığı arasında değişir. Böylesine yüksek frekanslı bir anahtarlama modülünde, PCB tasarım taktikleri çok daha önemlidir ve bazen tasarımcı tarafından gözden kaçırılır. Örneğin, zayıf bir PCB tasarımı, tüm devrenin arızalanmasına ve iyi tasarlanmış PCB'nin birçok hoş olmayan olayı çözmesine neden olabilir.

Genel bir kural olarak, bu eğitim, her türlü anahtar modlu güç kaynağı tabanlı PCB tasarımı için gerekli olan önemli PCB tasarım düzeni kılavuzlarının bazı ayrıntılı yönlerini sağlayacaktır. SMPS Devrelerinde EMI Azaltma için Tasarım Tekniklerini de inceleyebilirsiniz.

İlk olarak, anahtar modlu bir güç kaynağı tasarlamak için, devre gereksinimi ve spesifikasyonlarının net bir göstergesine sahip olunması gerekir. Güç kaynağının dört önemli bölümü vardır.

Giriş ve çıkış filtreleri.
Sürücü devresi ve sürücü için ilgili bileşenler, özellikle kontrol devresi.
Anahtarlama indüktörleri veya Transformatörler
Çıktı Köprüsü ve ilişkili filtreler.

Bir PCB tasarımında, tüm bu segmentlerin PCB'de ayrılması gerekir ve özel dikkat gerektirir. Bu makalede her bölümü ayrıntılı olarak tartışacağız.

Girdi ve İlişkili Filtreler için Yönergeler

Giriş ve filtre bölümü, gürültülü veya düzensiz besleme hatlarının devreye bağlandığı yerdir. Bu nedenle, giriş filtresi kapasitörlerinin, giriş konektöründen ve sürücü devresinden eşit aralıklarla yerleştirilmesi gerekir. Giriş bölümünü sürücü devresine bağlamak için her zaman kısa bir bağlantı uzunluğu kullanılması önemlidir.

Yukarıdaki görüntüde vurgulanan bölümler, filtre kapasitörlerinin yakın yerleşimini temsil etmektedir.

Sürücü Devresi ve Kontrol Devresi Yönergeleri

Sürücü esas olarak dahili bir MOSFET'ten oluşur veya bazen anahtarlama MOSFET'i harici olarak bağlanır. Anahtarlama hattı her zaman çok yüksek frekansta AÇILIR ve KAPATILIR ve çok gürültülü bir besleme hattı oluşturur. Bu bölüm her zaman diğer tüm bağlantılardan ayrı olmalıdır.

Örneğin, doğrudan transformatöre giden yüksek gerilim DC hattı (geri dönüş SMPS için) veya doğrudan güç indüktörüne giden DC hattı (Buck veya Boost topoloji tabanlı anahtarlama regülatörleri) ayrılmalıdır.

Aşağıdaki resimde, vurgulanan sinyal yüksek voltajlı DC hattıdır. Sinyal, diğer sinyallerden ayrı olacak şekilde yönlendirilir.

Anahtar modlu bir güç kaynağı tasarımındaki en gürültülü hatlardan biri, ister AC'den DC'ye geri dönüş tasarımı olsun, ister bir buck, boost veya buck-boost topoloji tabanlı düşük güç anahtarlamalı güç kaynağı olsun , sürücünün tahliye pimidir. tasarım. Her zaman diğer tüm bağlantılardan ayrılması ve çok kısa olması gerekir, çünkü bu tür yönlendirmeler genellikle çok yüksek frekanslı sinyaller taşır. Bu sinyal hattını diğerlerinden izole etmenin en iyi yolu, frezeleme veya boyut katmanları kullanarak PCB kesme kullanmaktır.

Aşağıdaki resimde, Opto-kuplörden güvenli bir mesafeye sahip izole bir Tahliye pimi bağlantısı gösterilmekte ve ayrıca PCB kesilmesi, diğer yönlendirmelerden veya sinyallerden herhangi bir paraziti ortadan kaldıracaktır.

Bir diğer önemli nokta da, bir sürücü devresinin hemen hemen her zaman çok hassas olan geri besleme veya algılanan hatta (giriş voltajı algılama hattı, çıkış algılama hattı gibi birden fazla kez) olması ve sürücünün çalışmasının geri bildirimi algılayarak tamamen bağımlı olmasıdır. Gürültü bağlanmasını önlemek için her türlü geri bildirim veya algılama hattı daha kısa olmalıdır. Bu tür hatların her zaman Güç, anahtarlama veya diğer gürültülü hatlardan ayrılması gerekir.

Aşağıdaki resim, optocoupler'dan sürücüye ayrı bir Geribildirim hattı gösteriyor.

Sadece bu değil, aynı zamanda bir sürücü devresi, sürücü devresi işlemlerini kontrol etmek için gerekli olan kapasitörler, RC filtreleri gibi birden fazla bileşen türüne sahip olabilir. Bu bileşenlerin sürücünün yakınına yerleştirilmesi gerekir.

Endüktörleri ve Transformatörleri Değiştirme Yönergeleri

Anahtarlama İndüktörü, hacimli kapasitörlerden sonra herhangi bir güç kaynağı kartında bulunan en büyük bileşendir. Kötü bir tasarım, İndüktör uçları arasındaki her türlü bağlantıyı yönlendirmektir. Öyle güçler veya filtre indüktör pedleri arasında herhangi sinyaller değil güzergah için gerekli.

Ayrıca, Transformatörler bir güç kaynağında, özellikle AC-DC SMPS'de kullanıldığında, bu transformatörün ana kullanımı, girişi çıkışla izole etmektir. Birincil ve ikincil pedler arasında yeterli mesafe gereklidir. Kaymayı artırmanın en iyi yolu, bir frezeleme katmanı kullanarak bir PCB kesme uygulamaktır. Transformatör uçları arasında asla herhangi bir yönlendirme kullanmayın.

Çıkış Köprüsü ve Filtre Bölümü Yönergeleri

Çıkış köprüsü, yük akımına bağlı olarak ısıyı dağıtan yüksek akımlı bir Schottky diyottur. Birkaç durumda, bakır düzlem kullanılarak PCB'nin kendisinde oluşturulması gereken PCB ısı emiciler gereklidir. Isı emici verimliliği, PCB bakır alanı ve kalınlığı ile orantılıdır.

PCB'lerde yaygın olarak bulunan iki tip bakır kalınlığı vardır: 35 mikron ve 70 mikron. Kalınlığıdır yüksek, daha iyi ısı bağlantı PCB ısı alıcı alanı kısaltılır. PCB çift katmanlı ise ve ısıtılmış alan bir PCB'de bir şekilde mevcut değilse, bakır düzlemin her iki tarafı da kullanılabilir ve bu iki tarafı ortak yollarla birleştirilebilir.

Aşağıdaki görüntü, alt katmanda oluşturulan bir Schottky diyotun PCB soğutucu örneğidir.

Schottky diyotunun hemen ardından filtre kondansatörü , İndüktör, Köprü diyotu ve kondansatör üzerinden besleme döngüsü çok kısa olacak şekilde transformatör veya anahtarlama indüktörüne çok yakın yerleştirilmelidir. Bu şekilde çıktı dalgalanması azaltılabilir.

Yukarıdaki görüntü, transformatör çıkışından köprü diyotuna ve filtre kapasitörüne giden kısa bir döngü örneğidir.

SMPS PCB Düzenleri için Yerden sekmeyi azaltma

İlk olarak, toprak dolgusu şarttır ve bir güç kaynağı devresinde farklı zemin düzlemlerini ayırmak en önemli şeylerden biridir.

Devre perspektifinden, bir anahtarlamalı güç kaynağının tüm bileşenler için tek bir ortak zemini olabilir, ancak PCB tasarım aşamasında durum böyle değildir. PCB tasarım perspektifine göre zemin iki kısma ayrılmıştır. İlk kısım güç topraklamasıdır ve ikinci kısım analog veya kontrol alanıdır. Bu iki zemin aynı bağlantıya sahip ama büyük bir fark var. Sürücü devresiyle ilişkili bileşenler tarafından analog veya kontrol toprağı kullanılır. Bu bileşenler, düşük akım dönüş yolu oluşturan bir zemin düzlemi kullanır, diğer yandan, güç zemini yüksek akım dönüş yolunu taşır. Güç bileşenleri gürültülüdür ve aynı toprağa doğrudan bağlanırlarsa kontrol devresinde belirsiz toprak sekme sorunlarına yol açabilir. Aşağıdaki resim, analog ve kontrol devresinin tek katmanlı bir PCB'de PCB'nin diğer güç hatlarından nasıl tamamen izole edildiğini göstermektedir.

Bu iki bölümün ayrılması ve belirli bir bölgede birleştirilmesi gerekir.

PCB çift katmanlı ise, üst katmanın bir kontrol zemini olarak kullanılabilmesi ve tüm kontrol devrelerinin üst katmandaki ortak zemin düzlemine bağlanması gerektiği gibi, bu kolaydır. Öte yandan, alt katman bir güç zemini olarak kullanılabilir ve tüm gürültülü bileşenler bu zemin düzlemini kullanmalıdır. Ancak bu iki zemin aynı bağlantıdır ve şematikte birbirine bağlıdır. Şimdi, üst ve alt katmanları birbirine bağlamak için, her iki yer düzlemini tek bir yerde bağlamak için yollardan yararlanılabilir. Örneğin, aşağıdaki resme bakın -

Sürücünün yukarıdaki kısmı, ayrı olarak Power GND adı verilen bir yer düzlemini kullanan tüm güç filtresiyle ilgili kapasitörlere sahiptir, ancak sürücü IC'nin aşağıdaki kısmı, ayrı bir kontrol GND'si kullanan tüm kontrolle ilgili bileşenlerdir. Her iki zemin de aynı bağlantıdır ancak ayrı ayrı oluşturulur. Her iki GND bağlantısı daha sonra Sürücü IC'sine katıldı.

IPC Standartlarını takip edin

IPC PCB tasarım standardına göre PCB yönergelerini ve kurallarını izleyin. Tasarımcı IPC2152 ve IPC-2221B'de açıklanan PCB tasarım standardını takip ederse, bu her zaman hata olasılığını en aza indirir. İzlerin genişliğinin doğrudan sıcaklığı ve akım taşıma kapasitesini etkilediğini unutmayın. Bu nedenle, izlerin yanlış genişliği, sıcaklık artışına ve zayıf akım akışına neden olabilir.

İki izleri arasındaki aralık, belirsiz yetmezliği veya çapraz karışmayı önlemek için de önemlidir bazen yüksek akım yüksek gerilim uygulamasında crossfires. IPC-9592B, Güç Kaynağı tabanlı PCB tasarımında güç hatları arasındaki önerilen boşluğu açıklar.

Sense Hattı için Kelvin Bağlantısı

Kelvin bağlantısı, kontrol devresinin kabiliyetini etkileyen ölçümün doğruluğundan dolayı Güç Kaynağı Kartı Tasarımında bir diğer önemli parametredir. Bir güç kaynağı kontrol devresi, geri besleme veya algılama hattında akım algılama veya voltaj algılama gibi her zaman bir tür ölçüm gerektirir. Bu algılama, diğer sinyaller veya izler algılama hattına müdahale etmeyecek şekilde bileşen uçlarından yapılmalıdır. Kelvin bağlantısı, aynı şeyi elde etmeye yardımcı olur, eğer algılama hattı diferansiyel bir çift ise, uzunluğun hem izler için aynı olması hem de iz bileşen uçları arasında bağlanmalıdır.

Örneğin, Kelvin bağlantısı, Texas Instruments'ın Güç denetleyicilerinin PCB tasarım yönergelerinde doğru bir şekilde açıklanmıştır.

Yukarıdaki görüntü, Kelvin bağlantısı kullanarak doğru akım algılamayı göstermektedir. Doğru bağlantı, sense hattı tasarımı için gerekli olacak uygun kelvin bağlantısıdır. PCB düzeni de bu belgede doğru bir şekilde verilmiştir.

PCB düzeni, sürücü veya denetleyici IC boyunca 10nF ve 1nF seramik kapasitör arasında yakın bir bağlantı gösterir. Sense hattı aynı zamanda uygun kelvin bağlantısını da yansıtıyor. İç güç katmanı, gürültü bağlantısını azaltmak için birden fazla yol kullanan aynı ancak ayrılmış kaynak hatlarına bağlanan ayrı bir kaynak hattıdır.