Leitfäden für das PCB-Layout von Schaltnetzteilen und Reglern

Stromversorgungen und Regler können in allen möglichen Formen und Größen vorkommen. Obwohl sie normalerweise als unterschiedliche Produkte diskutiert werden, sind sie elektrisch gesehen äquivalent, insbesondere Schaltregler. Aus der Perspektive eines hochrangigen Systems betrachtet, erfüllen der Schaltreglerabschnitt in einer Stromversorgung und der eigentliche Reglerschaltkreis dieselben Funktionen innerhalb desselben Blockdiagramms.

Für eine Stromversorgung ist es einfach eine Frage des Maßstabs und wie der Regler mit anderen Leistungsumwandlungsblöcken im System integriert wird. Der Schaltreglerabschnitt in einer Stromversorgung und der Schaltreglerschaltkreis auf einer Leiterplatte sollten nach denselben allgemeinen Richtlinien angelegt werden, um einen Betrieb mit geringem Rauschen zu gewährleisten.

In den kommenden Abschnitten möchte ich kurz darauf eingehen, wie sich Stromversorgungen und Regler unterscheiden, obwohl dies den meisten Designern bereits klar sein sollte. Eine Stromversorgung wird (oder sollte) einen Leistungsregler enthalten, aber ein Regler kann ein eigenständiger Schaltkreis sein, der nicht Teil dessen ist, was wir als Stromversorgung bezeichnen könnten. Sowohl für eine Stromversorgung als auch für eine Leiterplatte mit einem integrierten Regler wird das Layout des Schaltreglers ein wesentlicher Bestimmungsfaktor für die Gesamtsystemleistung sein. Daher werden wir uns hauptsächlich einige Layout-Richtlinien für Schaltnetzteile in Bezug auf das Reglerlayout ansehen.

System-Layout-Richtlinien für Schaltnetzteile

Bevor wir uns den Reglerteil eines Schaltnetzteils ansehen, sollten wir uns zunächst ein Blockdiagramm des gesamten Systems auf hoher Ebene ansehen. Wenn Sie eine Stromversorgungseinheit entwerfen, dann wird die gesamte Einheit die unten gezeigte Topologie aufweisen. Dies ist besonders wichtig für eine Stromversorgung, die Wechselstrom aus einer Steckdose bezieht.

Das obige Blockdiagramm könnte auf mehreren Platinen implementiert werden, obwohl es üblich ist, alles auf einer Platine zu platzieren, um Platz für große Transformatoren, Kühlkörper, Lüfter und mechanische Halterungen zu lassen, insbesondere für Stromversorgungen mit hoher Spannung/Stromstärke. Wenn Sie einen kleinen Regler für eine Platine entwerfen, die in eine Stromversorgungseinheit eingesteckt wird, dann arbeiten Sie sowieso innerhalb der oben genannten Topologie, Sie haben nur eine Erdverbindung zwischen dem Ausgangsregler und Ihrem neuen Regler. Auch dies ist üblich für Stromversorgungen mit hoher Stromstärke.

Es gibt einige andere Punkte, die im obigen Diagramm zu diskutieren sind:

Galvanische Trennung

Im obigen Blockdiagramm haben wir drei separate Erdungsregionen, die mit Kondensatoren wieder zusammengeführt werden. Folgen Sie dieser Richtlinie mit Kondensatoren nicht blind: es gibt keine einzelne PCB-Erdungstechnik, die jede Störquelle adressiert, und Sie sollten vorsichtig mit der oben genannten Verwendung von Kondensatoren sein. Dies wird gezeigt, um eine Methode zur Gewährleistung eines konsistenten Erdpotentials über alle Erdungsregionen zu veranschaulichen; dies ist eine empfohlene Methode für die Erdung in industriellen Ethernet-Systemen. Die Idee hier ist, jedes Gleichstrompotential, das sich zwischen zwei Erdungsabschnitten entwickeln könnte, zu blockieren

Die Gefahr hierbei ist die Schaffung von Erdschleifen und Gleichtaktstörungen, die dann gefiltert werden müssen. Die Erdungen auf diese Weise zusammenzuführen, ist im Grunde das, was man macht, wenn man ein Metallgehäuse hat, während Kunststoffgehäuse die Erdungen isoliert lassen. Dies wird knifflig und erfordert sorgfältiges Schaltungsdesign und PCB-Layout, um immer noch alle EMC-Tests zu bestehen.

Ausgangsstufe

Galvanische Isolation auf der Ausgangsstufe ist nicht erforderlich; es hängt von der Topologie des Gleichstromreglers ab (siehe den Flyback-Konverter als gutes Beispiel). Es ist auch üblich, einen geführten EMI-Filterkreis oder eine Gleichtaktdrossel am Ausgang anzubringen, um zu verhindern, dass Gleichtaktströme die Lastkreise erreichen. Abgesehen von diesen Punkten wird die Ausgangsreglerstufe unter Verwendung der besten Praktiken für die jeweilige Reglertopologie ausgelegt. Ich werde diese breiteren Ideen des Reglerlayouts unten behandeln.

Die Ausgangsstufe der Stromversorgungseinheit ist möglicherweise nicht der letzte Regler im System. Stattdessen könnte sie einen anderen Regler oder eine Reihe von Reglern speisen, von denen jeder eine festgelegte Spannung bei einem maximalen Strom für eine Gruppe von Komponenten liefert. Auch dies könnte auf einer einzelnen Platine oder auf mehreren Platinen erfolgen (eine für die Stromversorgung, eine andere für die Reglerstufen):

Der oben gezeigte Leistungsbaum zeigt Regler parallel geschaltet (in Reihe geschaltet), aber diese könnten auch in einer Baumtopologie kaskadiert werden. Diese Kartierung des Stroms in Ihrem PDN ist sehr nützlich, da sie Ihnen schnell hilft, zu ermitteln, wie viel Strom jede nachgeschaltete Reglerstufe zum Gesamtstrom im PDN beitragen wird. Der Gesamtstrom und die einzelnen Ströme bestimmen dann die Größe der Stromschienen oder der Stromebene, die benötigt wird, um ausreichend Strom zu jedem Abschnitt im System zu führen.

Das Layout jedes Schaltungsblocks erstellen

Jetzt, wo wir die Gesamtarchitektur des Systems sehen können, bekommen wir ein Gefühl dafür, wie man jeden Schaltungsblock in einer Schaltnetzteil und das Gesamtsystem anlegt, um niedrige EMI und Sicherheit zu gewährleisten. Denken Sie an das gesamte Blockdiagramm, wenn Sie Ihr PCB-Layout erstellen:

• Layout in Abschnitten: Ähnlich wie bei anderen Platinen mit mehreren funktionalen Blöcken, versuchen Sie, das Netzteil-Board in Abschnitten zu layouten. Es ist in Ordnung, dies in linearer Weise vom Eingang zum Ausgang im Blockdiagramm zu tun.
• Planen Sie das Layout mit Rückkopplung: Manchmal, wie bei präzisen Hochstromreglern, haben Sie eine Rückkopplung zwischen den Abschnitten. Verwenden Sie Optokoppler, um die Erdungslücke zwischen jedem Abschnitt zu überbrücken.
• Folgen Sie den Masse-Rückführungspfaden: Wenn es eine Richtlinie gibt, die im PCB-Design universell ist, dann ist es wahrscheinlich „Folgen Sie Ihrem Masse-Rückführungspfad.“ Bei Stromversorgungen ist dies entscheidend, um Orte zu identifizieren, an denen gemeinsame Modusströme entstehen können, und um niedrige Schleifeninduktanzen in jedem Versorgungsabschnitt sicherzustellen.
• Achten Sie auf Hochstrom- und Hochspannungsschienen: Das Design für hohe Spannungen und hohe Ströme wird manchmal vermischt. Die maximale Potentialdifferenz zwischen zwei Leitern bestimmt ihren minimalen Abstand (siehe IPC-2221), und der Strom, den ein Leiter führt, bestimmt seine erforderliche Breite, um eine niedrige Temperatur zu gewährleisten (siehe IPC-2152 für innere Schichten oder für äußere Schichten).

Während Sie am Design des PDN (Power Distribution Network) arbeiten, sollten Sie auch darüber nachdenken, wie jeder Abschnitt geerdet wird und wie Erdungen möglicherweise zusammengebunden werden können, um ein konsistentes Referenzpotential zu geben. Dies ist ziemlich wichtig, um EMI (elektromagnetische Interferenzen) zu verhindern, wie ich oben angedeutet habe. Dies sollte geschehen, bevor Sie mit dem PCB-Layout beginnen.

Layout-Tipps für Schaltregler der Stromversorgung

Sobald Sie die Komponenten für den Regler ausgewählt, Schaltpläne erstellt und eine Erdungs-/Stromverteilungsstrategie entworfen haben, können Sie beginnen, über das PCB-Layout nachzudenken. Das PCB-Layout für einen Schaltregler dreht sich alles um Kompromisse: Sie müssen die Leiterbahnbreite gegen die Abstandsregeln abwägen, aber alles muss kompakt sein.

Wir haben mehrere Anleitungen in diesem Blog veröffentlicht, die sich mit dem Layout spezifischer Reglertopologien befassen. Anstatt alle diese Möglichkeiten durchzugehen, zeigt die untenstehende Liste einige allgemeine Richtlinien, die in Ihrem System gelten werden.

1. Implementieren Sie immer die Mindestabstands- und Leiterbahnbreitenregeln für Ihr System.
2. Halten Sie alle Rückkopplungsleitungen für Spannungs-/Strommessung kurz mit der direktesten Verlegung, die möglich ist.
3. Wahrscheinlich müssen Sie einige Steuer- und Sensorkomponenten um Ihre Treiber- und Controller-ICs gruppieren, also stellen Sie sicher, dass Sie kurze Verbindungen zwischen ihnen herstellen; es ist in Ordnung, diese Komponenten in einem engen Bereich zu gruppieren (siehe unten).
4. Erwägen Sie dickes Kupfer oder sogar ein Metallkern-PCB, wenn Sie für hohe Ströme entwerfen.
5. Haben Sie keine Angst, Polygone als Montagepads für Komponenten oder Steckverbinder zu verwenden. Seien Sie vorsichtig mit der direkten Verbindung zurück zu einer Ebene, da Sie möglicherweise Wärmelasten benötigen.
6. Auch wenn Regler eine sehr hohe Effizienz aufweisen können, können sie dennoch heiß werden. Stellen Sie sicher, dass im Layout Platz für eventuelle Kühlkörper (falls vorhanden) auf ICs vorgesehen ist. Eine andere Option ist die Verwendung eines thermischen Interface-Materials.

Die spezifischen Layout-Richtlinien für Ihren Schaltregler hängen von der Topologie, der Anzahl der Komponenten, der Präsenz von Feedback und der Erdungsstrategie ab. Hoffentlich haben Sie über Erdung nachgedacht, um EMI zu verhindern und die erforderliche Isolation zu gewährleisten, bevor Sie mit Ihrem PCB-Layout begonnen haben. Um einige spezifischere Richtlinien für Ihren spezifischen Regler zu sehen, werfen Sie einen Blick auf einige dieser anderen Ressourcen:

• Wie man einen Boost-Spannungsregler entwirft
• Isolierte vs. nicht isolierte Stromversorgungen: Die richtige Wahl ohne Fehl
• LLC-Resonanzwandler-Design und PCB-Layout
• Niedriges Rauschen, niedrige EMI-Spannungsregler

Was haben wir nicht abgedeckt?

Offensichtlich gibt es viel zu berücksichtigen in der obigen Liste von Layout-Richtlinien für Schaltnetzteile und Reglerkreise. Also, was fehlt? Es gibt einige kritische Aspekte der Leistungsregelung und -lieferung, die in der obigen Diskussion nicht präsent sind:

• PDN-Impedanz: Wenn Sie nicht mit Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzkomponenten arbeiten, müssen Sie sich wahrscheinlich keine Gedanken über die PDN-Impedanz machen. Achten Sie einfach darauf, dicke Stromschienen und reichlich Massefläche zu verwenden. Wenn Sie jedoch für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzanwendungen entwerfen, ist eine niedrige PDN-Impedanz sehr wichtig, um Ripple zu unterdrücken, was normalerweise mit vielen Entkopplungskondensatoren und hoher Zwischenlagendielektrizität erreicht wird.
• Störungen der Stromversorgung (EMI): Ich habe dies oben angedeutet. Jedes Mal, wenn Sie ein PCB-Layout erstellen, sollten Sie über die Sicherstellung niedriger EMI nachdenken, aber es gibt viel, was in die Unterdrückung von EMI und das Bestehen von EMC-Tests über die Routenführung mit niedriger Schleifeninduktanz hinausgeht. Ich werde einige dieser Punkte in einem Artikel besprechen, der sich der Stromversorgungs-EMI widmet.
• Analoge Stromversorgung: Hier betrachten wir Schaltwandler, wie sie normalerweise im Kontext von digitalen ICs diskutiert werden. Was ist aber mit analogen Komponenten? Ihre Strombedürfnisse können ganz anders sein. Digitale ICs, die ein analoges/RF-Signal erzeugen, tun dies normalerweise intern. Es gibt jedoch spezialisierte LDOs (z.B. NCP161BMX280TBG) oder Schaltregler (z.B. LTC3388IMSE-1).

Es geht auch um die Auswahl von Komponenten, wie die Auswahl von Induktoren, um niedrige EMI und gemeinsame Modus-Rauschkopplung zu gewährleisten, sowie um niedrigen Ripple-Strom sicherzustellen. Der letzte Punkt in der obigen Liste ist ebenfalls sehr wichtig, da rein analoge Schaltungen nicht denselben Layout-Stil wie ein Spannungsregler oder eine eingebettete Stromversorgung für digitale Systeme haben werden. Sobald Sie mit extrem hohen Frequenzen arbeiten, sind Probleme mit der RF-Stromversorgung aufgrund von parasitärer Kapazität schwieriger zu handhaben, ähnlich wie bei instabilen Verstärkerschaltungen. Dies ist ein weiteres Thema, das ich liebe, aber ich werde es für einen anderen Blogpost aufheben.

Mit den besten PCB-Design-Tools in Altium Designer® können Sie die Layout-Richtlinien für Schaltnetzteile, die ich hier dargelegt habe, umsetzen. Sie haben auch die Werkzeuge, die Sie benötigen, um Regler-ICs, Komponenten für größere Reglerschaltungen und andere Komponenten für Ihr System zu finden. Für fortgeschrittenere Berechnungen, die geleitete oder abgestrahlte EMI betreffen, können Altium Designer-Benutzer die EDB Exporter-Erweiterung verwenden, um ihr Design in Ansys-Feldlöser zu importieren. Dieses Paar aus Feldlöser und Design-Anwendungen hilft Ihnen, Ihr Layout zu überprüfen, bevor Sie mit einem Prototyping-Lauf beginnen.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, macht die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte einfach. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.