Riktlinjer för design av PCB för strömkretsar för switchläge

Strömförsörjning är en allmänt använd strömförsörjningstopologi inom kraftelektronik. Oavsett om det kan vara en komplicerad CNC-maskin eller en kompakt elektronisk enhet, så länge enheten är ansluten till någon form av strömförsörjning är alltid en SMPS-krets obligatorisk. Felaktig eller felaktig strömförsörjningsenhet kan leda till ett stort fel i produkten oavsett hur väl utformad och funktionell kretsen kan vara. Vi har redan designat en hel del SMPS-strömförsörjningskretsar som 12V 1A SMPS och 5V 2A SMPS med Power Integration respektive Viper controller IC.

Varje växelströmförsörjning använder en brytare som en MOSFET eller en strömtransistor som ständigt slås PÅ eller AV beroende på växlingsdrivspecifikationen. Omkopplingsfrekvensen för detta PÅ och AV-läge sträcker sig från några hundra kilohertz till megahertz-intervall. I en sådan högfrekvent omkopplingsmodul är PCB-designtaktiken mycket viktigare och ibland förbises den av designern. Till exempel kan en dålig PCB-design leda till fel på hela kretsen, såväl som väldesignad PCB kan lösa många obehagliga händelser.

Som en allmän tumregel kommer denna handledning att ge några detaljerade aspekter av viktiga riktlinjer för PCB-designlayout som är väsentliga för alla typer av strömbrytarbaserad PCB-design. Du kan också kolla in designtekniker för EMI-reduktion i SMPS-kretsar.

För det första måste man ha en tydlig indikation på kretsbehovet och specifikationerna för att utforma en strömförsörjning för växlingsläge. Strömförsörjningen har fyra viktiga delar.

In- och utgångsfilter.
Drivkretsar och tillhörande komponenter för föraren, särskilt styrkrets.
Omkopplare eller transformatorer
Output Bridge och tillhörande filter.

I en PCB-design måste alla dessa segment separeras i PCB och kräver särskild uppmärksamhet. Vi kommer att diskutera varje segment i detalj i den här artikeln.

Riktlinjer för indata och associerade filter

Ingången och filtersektionen är där de bullriga eller oreglerade matningsledningarna ansluts till kretsen. Därför måste ingångsfilterkondensatorerna placeras på ett jämnt avstånd från ingångskontakten och drivkretsen. Det är viktigt att alltid använda en kort anslutning för att ansluta ingångssektionen till förarkretsen.

De markerade sektionerna i bilden ovan representerar den nära placeringen av filterkondensatorerna.

Riktlinjer för förarkretsar och styrkretsar

Drivrutinen består huvudsakligen av en intern MOSFET eller ibland är MOSFET som kopplas externt ansluten. Kopplingsledningen slås alltid PÅ och stängs AV i mycket hög frekvens och skapar en mycket bullrig matningsledning. Denna del måste alltid vara åtskild från alla andra anslutningar.

Till exempel bör den högspända likströmsledningen som går direkt till transformatorn (för flyback SMPS) eller likströmsledningen som går direkt till ströminduktorn (Buck eller Boost-topologibaserade kopplingsregulatorer) separeras.

I bilden nedan är den markerade signalen den högspända likströmslinjen. Signalen dirigeras på ett sådant sätt att den separeras från andra signaler.

En av de bullrigaste linjerna i en switch-mode strömförsörjningsdesign är avtappningsstiftet på drivrutinen, oavsett om det är en AC till DC flyback-design eller det kan vara en buck, boost eller buck-boost topologibaserad strömförsörjning med låg effekt design. Det måste alltid separeras från alla andra anslutningar såväl som det måste vara mycket kort eftersom denna typ av routningar i allmänhet bär mycket högfrekventa signaler. Det bästa sättet att isolera denna signallinje från andra är att använda PCB-utskärning genom att använda fräs- eller dimensionskikt.

I bilden nedan visas en isolerad Drain pin-anslutning som har ett säkert avstånd från Opto-kopplingen såväl som PCB-utskärningen tar bort störningar från andra routningar eller signaler.

En annan viktig punkt är att en förarkrets nästan alltid har återkoppling eller avkänd linje (vissa gånger mer än en som ingångsspänningsavkänningsledning, utgångsavkänningsledning) som är mycket känslig och förarens funktion är helt beroende av avkänning av återkopplingen. Varje typ av återkoppling eller avkänningslinje bör vara kortare för att undvika bullerkoppling. Dessa typer av linjer måste alltid separeras från ström, växling eller andra bullriga linjer.

Bilden nedan visar en separat återkopplingslinje från optokopplaren till föraren.

Inte bara detta utan en förarkrets kan också ha flera typer av komponenter som kondensatorer, RC-filter som krävs för att styra förarkretsdriften. Dessa komponenter måste placeras nära föraren.

Riktlinjer för omkoppling av induktorer och transformatorer

Switching Inductor är den största tillgängliga komponenten i alla strömförsörjningskort efter skrymmande kondensatorer. En dålig design är att dirigera någon form av anslutning mellan induktorkablarna. Det är viktigt att inte dirigera några signaler mellan krafterna eller filterinduktorkuddarna.

Närhelst transformatorer används i en strömförsörjning, särskilt i AC-DC SMPS, är den huvudsakliga användningen av denna transformator att isolera ingången med utgången. Tillräckligt avstånd mellan primära och sekundära dynor krävs. Ett bästa sättet att öka krypningen är att applicera en PCB-avskärning med ett frässkikt. Använd aldrig någon form av ledning mellan transformatorledningarna.

Riktlinjer för avsnittet Output Bridge och Filter

Utgångsbryggan är en Schottky-diod med hög ström som släpper ut värme beroende på belastningsströmmen. I några fall krävs kretskort för kretskort som måste skapas i kretskortet själv med hjälp av kopparplanet. Kylflödeseffektiviteten är proportionell mot PCB-kopparområdet och tjockleken.

Det finns två typer av koppartjocklek som vanligtvis finns i kretskort, 35 mikron och 70 mikron. Ju högre tjockleken är, desto bättre förkortas termisk anslutning och PCB-kylflänsområdet. Om kretskortet är ett dubbelskikt och det uppvärmda utrymmet är något inte tillgängligt i ett kretskort kan man använda båda sidor av kopparplanet och kan ansluta dessa två sidor med vanliga vias.

Bilden nedan är ett exempel på PCB-kylfläns för en Schottky-diod som skapas i det nedre lagret.

Filterkondensatorn direkt efter Schottky-dioden måste placeras mycket nära transformatorn eller omkopplingsspolen så att matningsslingan genom induktorn, brodioden och kondensatorn blir mycket kort. På ett sådant sätt kan utgående krusning minskas.

Ovanstående bild är ett exempel på en kort slinga från transformatorns utgång till bryggdioden och filterkondensatorn.

Minskar markstopp för SMPS PCB-layouter

För det första är markfyllningen väsentlig och att separera olika markplan i en strömförsörjningskrets är en annan viktigast sak.

Ur kretsperspektivet kan en växelströmförsörjning ha en gemensam grund för alla komponenter men det är inte fallet under kretskortsdesignfasen. Enligt PCB-designperspektivet är marken uppdelad i två delar. Den första delen är kraftjord och den andra delen är analog eller kontrolljord. Dessa två grunder har samma koppling men det är stor skillnad. Analog eller kontrolljord används av komponenterna som är associerade med förarkretsen. Dessa komponenter använder ett markplan som skapar en returström med låg ström, å andra sidan bär kraftjorden den höga strömreturvägen. Kraftkomponenter är bullriga och kan leda till osäkra markstoppsproblem i styrkretsarna om de är direktanslutna i samma mark. Bilden nedan visar hur den analoga och styrkretsen är helt isolerad från andra kraftledningar på kretskortet i ett kretskort med ett lager.

Dessa två delar måste separeras och bör anslutas i en viss region.

Detta är enkelt om kretskortet är ett dubbelskikt, som det övre lagret kan användas som kontrolljord och alla styrkretsar bör anslutas i det gemensamma jordplanet i det övre lagret. Å andra sidan kan det undre lagret användas som kraftjord och alla bullriga komponenter ska använda detta jordplan. Men dessa två grunder är samma koppling och kopplade i schemat. Nu, för att ansluta topp- och bottenlagren, kan vias användas för att ansluta båda markplanen på en enda plats. Se till exempel bilden nedan -

Ovanstående del av drivrutinen har alla effektfilterrelaterade kondensatorer som använder ett jordplan separat som kallas Power GND, men den nedanstående delen av driver IC är alla styrrelaterade komponenter som använder en separat kontroll GND. Båda grunderna är samma anslutning men skapas separat. Båda GND-anslutningarna gick sedan över Driver IC.

Följ IPC-standarderna

Följ PCB-riktlinjerna och reglerna enligt IPC PCB-designstandarden. Detta minimerar alltid felchansen om designern följer PCB-designstandarden som beskrivs i IPC2152 och IPC-2221B. Kom ihåg att spårens bredd direkt påverkar temperaturen och strömkapaciteten. Fel spår kan därför leda till en temperaturökning och dåligt strömflöde.

Det avstånd mellan två spår är också viktigt att undvika osäkra fel eller överhörning, ibland crossfires i hög ström högspänningsansättningszonen. IPC-9592B beskriver det rekommenderade avståndet mellan kraftledningarna i strömförsörjningsbaserad PCB-design.

Kelvin Connection för Sense Line

Kelvin-anslutning är en annan viktig parameter i Power Supply Board-designen, på grund av noggrannheten i mätningen som påverkar styrkretsens förmåga. En strömförsörjningskontrollkrets kräver alltid någon form av mätningar, vare sig det är strömavkänning eller spänningsavkänning i återkopplings- eller avkänningslinjen. Denna avkänning bör göras från komponentledningarna på ett sådant sätt att andra signaler eller spår inte stör senselinjen. Kelvin-anslutning hjälper till att uppnå samma, om sense-linjen är ett differentiellt par, måste längden vara densamma för båda spåren och spåret bör anslutas över komponentledningarna.

Till exempel beskrivs Kelvin-anslutningen ordentligt i riktlinjerna för PCB-design för strömkontroller av Texas-instrument.

Ovanstående bild visar korrekt strömavkänning med hjälp av en Kelvin-anslutning. Rätt anslutning är rätt kelvin-anslutning som kommer att vara väsentlig för sense line design. PCB-layouten ges också korrekt i det dokumentet.

PCB-layouten visar en nära anslutning mellan den keramiska kondensatorn 10nF och 1nF över drivrutinen eller styrenhetens IC. Sense-linjen återspeglar också rätt kelvin-anslutning. Det inre kraftlagret är en separerad källledning som är ansluten till samma men separerade källledningar med flera vias för att minska bruskoppling.