Hochspannungs-SMPS-Platinenlayout zur Minimierung von Wärme und Lärm

Ob Sie eine AC-DC-Umwandlung oder eine DC-DC-Umwandlung durchführen, Schaltnetzteil-Layouts sind bei Hochspannungsdesigns üblich und müssen sorgfältig konstruiert werden. Obwohl dieses System recht verbreitet ist, kann es aufgrund der schnellen Änderungen in Spannung und Strom beim Schalten leicht EMI (elektromagnetische Interferenzen) abstrahlen. Designer können selten bestehende Entwürfe in neue Systeme anpassen, da eine geringfügige Änderung in einem Bereich ein schwer zu diagnostizierendes EMI-Problem erzeugen kann.

Mit den richtigen Layout-Entscheidungen und Routing können Sie verhindern, dass Störgeräusche auf dem Ausgang Ihres SMPS zu einem signifikanten Problem werden. Niederspannungswandler können als ICs mit verschiedenen Formfaktoren gekauft werden, aber Hochspannungswandler müssen aus diskreten Komponenten auf einer dedizierten Platine hergestellt werden. Hier sind einige wichtige Tipps für das Layout von SMPS-PCBs, um Ihnen zu helfen, Komponenten kühl zu halten und Störgeräuschprobleme in Ihrem System zu verhindern.

Störgeräusch- und Wärmeprobleme in Ihrem SMPS-PCB-Layout

Es gibt kein Entkommen: Jedes SMPS wird aufgrund der Schaltaktion des Transistortreibers moderat hochfrequente Störgeräusche erzeugen. Tatsächlich tauschen Sie das Niederfrequenzrauschen (z.B. von einem Vollwellengleichrichter während der AC-DC-Umwandlung) gegen hochfrequentes Schaltrauschen aus. Obwohl diese Umwandlung einen stabileren Gleichstromausgang erzeugt, gibt es dennoch zwei wichtige Störgeräuschquellen:

• Direktes Schaltrauschen vom Schaltelement.
• Transientes Rauschen anderswo im System.

Rauschen kann am Ausgang einer SMPS-Einheit als geleitetes Rauschen und als abgestrahltes Rauschen erscheinen. Obwohl die Ursache jedes Problems kompliziert zu diagnostizieren sein kann, ist es einfach, zwischen den beiden Arten von Rauschen zu unterscheiden. Eine andere Herausforderung beim Design von SMPS-PCB-Layouts ist die im Board erzeugte Wärme. Obwohl dies durch die Wahl der richtigen PWM-Frequenz, Tastverhältnis und Anstiegszeit beeinflusst werden kann, müssen Sie dennoch die richtigen Wärmemanagementstrategien in Ihrem Board verwenden. Mit diesen beiden Herausforderungen im Hinterkopf, lassen Sie uns einige der feineren Punkte betrachten, auf die Sie in Ihrem SMPS-PCB-Layout achten sollten.

Wärmemanagement

Ein ideales SMPS würde null Leistung verbrauchen, obwohl dies in der Realität nicht der Fall ist. Ihr Schalttransistor (und Eingangstransformator für die AC-DC-Umwandlung) wird den Löwenanteil der Leistung als Wärme verbrauchen. Auch wenn die Effizienz bei Schaltnetzteil-Topologien über 90% liegen kann, können Leistungs-MOSFETs während des Schaltens immer noch erhebliche Wärme abgeben. Die gängige Praxis hier ist, Kühlkörper auf die kritischen Schaltkomponenten zu setzen; stellen Sie sicher, dass diese mit Ihrer Massefläche verbunden sind um eine neue Quelle von EMI zu verhindern.

In Hochspannungs-/Hochstromversorgungen können diese Kühlkörper ziemlich groß sein. Sie können Ihrem System einen zusätzlichen Kühlungsboost geben, indem Sie einen Lüfter am Gehäuse montieren. Achten Sie erneut darauf, beste Praktiken bezüglich der Stromversorgung dieses Lüfters zu befolgen, um neue EMI-Probleme zu vermeiden.

Einige Tipps für das Layout von SMPS-PCBs

Ihr PCB-Stackup

Ihr Layout wird in gewissem Maße bei der thermischen Verwaltung helfen, aber es ist ein größerer Bestimmungsfaktor für die EMI-Anfälligkeit. Leitungsgebundenes Rauschen wird normalerweise durch die Verwendung von EMI-Filterkreisen in den Ein- und Ausgangsschaltungen behandelt. Wie viele EMI-Probleme in Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsystemen wird Ihr Stackup der Hauptfaktor für die Immunität gegen abgestrahlte EMI sein.

Die relevanten Frequenzen, bei denen das SMPS arbeiten wird, liegen irgendwo zwischen ~10 kHz und ~1 MHz, sodass abgestrahlte EMI induktiv Rauschen induzieren wird. Daher möchten Sie die Masseebene in Ihrem Stackup direkt unter der Oberflächenschicht mit all Ihren Leistungskomponenten platzieren. Dies wird eine geringe Schleifeninduktanz für Schaltungen auf der Oberflächenschicht gewährleisten. Jedes induzierte Rauschsignal, das sich zum Ausgang fortpflanzt, wird typischerweise durch Filtration am Ausgang entfernt.

Es gibt einige Einwände dagegen, Masse unter oder in der Nähe von Spulen (Induktivität, Transformator oder Gleichtakt-Drossel) in Ihrem PCB-Layout zu platzieren. Der Grund dafür ist, dass die Wicklungskapazität in einer Spule Strom von einer Masseebene zurück in die Spule koppeln kann, was Gleichtaktstörungen erzeugt, die eine Quelle für EMI sind. Es ist sehr wichtig, die Rücklaufpfade in Ihrem Layout zu verfolgen, um die Kopplung von Gleichtaktstörungen zu verhindern, eine Aufgabe, die mit dem richtigen Feldlöser-Utility unterstützt wird.

Transientes Klingeln

Transiente sind ein schwierigeres Problem, da sie mit Ihrem Stackup, der Verlegung, der Anwesenheit von Vias und unzureichender Entkopplung/übermäßiger Impedanz zusammenhängen. Wie auch bei Hochgeschwindigkeitsdesigns sollten Sie kein Kupfer, das ein Schaltsignal führt, über eine Lücke in der Masseebene verlegen, da dies eine Art Antennenstruktur erzeugt, die bei Transienten stark strahlen kann. Diese transienten Vorgänge tendieren dazu, hochfrequent zu sein (irgendwo von 10ern bis zu 100ern MHz).

Das Problem mit transientem Klingeln ist ein Impedanzmanagementproblem. Hohe Impedanz führt zu starkem Spannungsrippel. Komponenten sollten mit den richtigen Landemustern platziert werden, um die Impedanz im Board-PDN zu minimieren. Beispiele für gute und schlechte Landemuster für Ihre Komponenten sind unten gezeigt.

Schließlich ist es am besten, keine isolierten Inseln in Ihrem Layout zu lassen. Verbinden Sie alle Leistungsiseln, die Steuerkreise oder passive Bauelemente enthalten könnten, mit Entkopplungskondensatoren zurück zur Massefläche/Masseebene. Seien Sie vorsichtig mit der Platzierung von Vias in diesen Situationen, da Sie keine unbeabsichtigte Kerbe oder einen Schlitz in Ihrer Masseebene erzeugen möchten.

Mehr über Hochspannungs-SMPS-Design

Wenn Sie sich für einen moderaten Spannungstreiberkreis zur Versorgung von Hochintensitäts-LEDs interessieren, werfen Sie einen Blick auf diesen Artikel von Mark Harris. Es geht auch um die Bestimmung der besten Schaltfrequenz für Ihr SMPS. Dies kann ein schwieriges Optimierungsproblem sein, aber Sie können viel näher kommen, wenn Sie das Schaltverhalten Ihres MOSFETs verstehen, wenn er mit einem PWM-Signal angesteuert wird. Ich habe diesen Punkt in einem kürzlichen Artikel besprochen. Schließlich werfen Sie einen Blick auf unsere Ratschläge zum Design von Hochspannungsplatinen (einschließlich eines SMPS) nach IPC-Standards.

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