Diseño de PCB para SMPS de Alta Tensión para Minimizar el Calor y el Ruido

Tanto si realiza una conversión AC-DC como DC-DC, los diseños de fuentes de alimentación conmutadas son comunes en el diseño de alto voltaje y deben construirse con cuidado. Aunque este sistema es bastante común, fácilmente irradiará EMI debido a los rápidos cambios de voltaje y corriente durante la conmutación. Los diseñadores raramente pueden adaptar diseños existentes a nuevos sistemas ya que un cambio menor en una área puede crear un problema de EMI que es difícil de diagnosticar.

Con las elecciones de diseño y enrutamiento adecuados, puede prevenir que el ruido se convierta en un problema significativo en la salida de su SMPS. Los convertidores de bajo voltaje se pueden comprar como ICs con diferentes factores de forma, pero los convertidores de alto voltaje necesitarán ser producidos a partir de componentes discretos en una placa dedicada. Aquí hay algunos consejos importantes sobre el diseño de PCB de SMPS para ayudarlo a mantener los componentes frescos y prevenir problemas de ruido en su sistema.

Problemas de Ruido y Calor en su Diseño de PCB de SMPS

No hay forma de evitarlo: cualquier SMPS producirá ruido de frecuencia moderadamente alta debido a la acción de conmutación del transistor conductor. En efecto, está intercambiando el rizo de baja frecuencia (es decir, de un rectificador de onda completa durante la conversión AC-DC) por ruido de conmutación de alta frecuencia. Aunque esta conversión produce una salida de DC más estable, todavía existe el asunto de dos fuentes importantes de ruido:

• Ruido de conmutación directo del elemento de conmutación.
• Ruido transitorio en otras partes del sistema.

El ruido puede aparecer en la salida de una unidad SMPS como ruido conducido y como ruido radiado. Aunque la causa de cada problema puede ser complicada de diagnosticar, puede ser fácil distinguir entre los dos tipos de ruido. Otro de los desafíos de diseño en el diseño de PCBs de SMPS es el calor generado en la placa. Aunque esto puede ser influenciado eligiendo la frecuencia de PWM adecuada, ciclo de trabajo y tiempo de subida, aún necesitarás usar las estrategias de gestión térmica adecuadas en tu placa. Con estos dos desafíos en mente, veamos algunos de los puntos más finos a los que debes prestar atención en tu diseño de PCB de SMPS.

Gestión Térmica

Un SMPS ideal disiparía cero potencia, aunque esto no sucede en la realidad. Tu transistor de conmutación (y transformador de entrada para la conversión de AC-DC) disipará la mayor parte de la potencia como calor. Aunque la eficiencia puede superar el 90% en topologías de suministro conmutado, los MOSFETs de potencia aún pueden disipar calor significativo durante la conmutación. La práctica común aquí es colocar disipadores de calor en los componentes críticos de conmutación; asegúrate de conectar estos de vuelta a tu plano de tierra para prevenir una nueva fuente de EMI.

En fuentes de alimentación de alto voltaje/corriente, estos disipadores de calor pueden ser bastante grandes. Puedes darle a tu sistema un impulso extra de enfriamiento montando un ventilador en la carcasa. De nuevo, asegúrate de seguir las mejores prácticas respecto a alimentar este ventilador para prevenir nuevos problemas de EMI.

Algunos consejos para el diseño de PCB de SMPS

Tu Apilamiento de PCB

Tu diseño ayudará en cierta medida con la gestión térmica, pero es un determinante mayor de la susceptibilidad a EMI. El ruido conducido se trata normalmente utilizando circuitos de filtro EMI en los circuitos de entrada y salida. Como muchos problemas de EMI en sistemas de alta velocidad/alta frecuencia, tu apilamiento será el principal determinante de la inmunidad a EMI radiada.

Las frecuencias relevantes a las que funcionará el SMPS están en cualquier lugar desde ~10 kHz hasta ~1 MHz, por lo que la EMI radiada inducirá ruido inductivamente. Por lo tanto, querrás colocar el plano de tierra en tu apilamiento directamente bajo la capa superficial con todos tus componentes de potencia. Esto asegurará una baja inductancia de bucle para los circuitos en la capa superficial. Cualquier señal de ruido inducido que se propague a la salida típicamente será eliminada a través de la filtración en la salida.

Existe cierta objeción a colocar tierra debajo o cerca de bobinas (inductor, transformador o filtro de modo común) en el diseño de tu PCB. La razón es que la capacitancia de bobinado en una bobina puede acoplar corriente desde un plano de tierra de vuelta a la bobina, creando ruido de modo común que es una fuente de EMI. Es muy importante rastrear las trayectorias de retorno en tu diseño para prevenir el acoplamiento de ruido de modo común, una tarea que es facilitada con la utilidad de solucionador de campo adecuada.

Transitorios de Anillo

Los transitorios son un problema más difícil de resolver ya que están relacionados con tu apilamiento, enrutamiento, presencia de vías e insuficiente desacoplamiento/excesiva impedancia. Tal como ocurre en el diseño de alta velocidad, no enroutes ningún cobre que lleve una señal de conmutación sobre un hueco en el plano de tierra, ya que esto creará algún tipo de estructura de antena que puede irradiar fuertemente en transitorios. Estos transitorios tienden a ser de alta frecuencia (desde decenas hasta cientos de MHz).

El problema con los transitorios de anillo es un problema de gestión de impedancia. Una alta impedancia conduce a un fuerte rizado de voltaje. Los componentes deben ser colocados con los patrones de tierra correctos para minimizar la impedancia en el PDN de la placa. A continuación, se muestran ejemplos de buenas y malas tierras para tus componentes.

Finalmente, es mejor no dejar islas aisladas en tu diseño. Conecta cualquier isla de alimentación que pueda contener circuitos de control o componentes pasivos de vuelta al plano de masa con condensadores de desacoplamiento. Ten cuidado con la colocación de cualquier vía en estas situaciones, ya que no querrás crear una muesca o ranura no intencionada en tu plano de masa.

Más sobre el Diseño de SMPS de Alta Tensión

Si estás interesado en un circuito controlador de voltaje moderado para alimentar LEDs de alta intensidad, echa un vistazo a este artículo de Mark Harris. También está el asunto de determinar la mejor frecuencia de conmutación para usar en tu SMPS. Esto puede ser un problema de optimización difícil de resolver, pero puedes acercarte mucho más si entiendes el comportamiento de conmutación de tu MOSFET cuando se acciona con una señal PWM. He discutido este punto en un artículo reciente. Finalmente, echa un vistazo a nuestro consejo sobre diseñar placas de alta tensión (incluyendo un SMPS) según los estándares IPC.

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