Directrices para el diseño de PCB para fuentes de alimentación conmutadas y reguladores

Las fuentes de alimentación y los reguladores pueden venir en todas las formas y tamaños. Aunque normalmente se discuten como productos diferentes, son equivalentes eléctricamente, particularmente los reguladores conmutados. Desde una perspectiva de sistema de alto nivel, la sección del regulador conmutado en una fuente de alimentación y el circuito del regulador real realizan las mismas funciones dentro del mismo diagrama de bloques.

En una fuente de alimentación, simplemente es una cuestión de escala y de cómo el regulador se integra con otros bloques de conversión de energía en el sistema. La sección del regulador conmutado en una fuente de alimentación y el circuito del regulador conmutado en un PCB deben diseñarse bajo las mismas pautas generales para garantizar un funcionamiento de bajo ruido.

En las secciones siguientes, quiero centrarme brevemente en cómo las fuentes de alimentación y los reguladores son diferentes, aunque esto ya debería estar claro para la mayoría de los diseñadores. Una fuente de alimentación incluirá (o debería incluir) un regulador de potencia, pero un regulador puede ser un circuito independiente que no forma parte de lo que podríamos llamar una fuente de alimentación. Para una fuente de alimentación y para un PCB con un regulador integrado, el diseño del regulador conmutado será un determinante importante del rendimiento general del sistema. Por lo tanto, nos centraremos principalmente en algunas pautas de diseño para fuentes de alimentación conmutadas en términos de diseño de reguladores.

Pautas de Diseño del Sistema para Fuentes de Alimentación Conmutadas

Antes de analizar la sección del regulador de una fuente de alimentación conmutada, primero debemos observar un diagrama de bloques de alto nivel de todo el sistema. Si estás diseñando una unidad de fuente de alimentación, entonces toda la unidad tendrá la topología que se muestra a continuación. Esto es especialmente importante para una fuente de alimentación que tomará energía de CA de un tomacorriente de pared.

El diagrama de bloques anterior podría implementarse en múltiples placas, aunque es común poner todo en una sola placa para dejar espacio para transformadores grandes, disipadores de calor, ventiladores y montajes mecánicos, especialmente para fuentes de alimentación de alta tensión/corriente. Si estás diseñando un regulador pequeño para una placa que se conectará a una unidad de fuente de alimentación, entonces trabajarás dentro de la topología anterior; simplemente tendrás un vínculo a tierra entre el regulador de salida y tu nuevo regulador. De nuevo, esto es común para fuentes de alimentación de alta corriente.

Hay otros puntos a discutir en el diagrama anterior:

Aislamiento Galvánico

En el diagrama de bloques anterior, tenemos tres regiones de tierra separadas unidas con condensadores. No sigas ciegamente esta pauta con condensadores: no existe una técnica única de conexión a tierra de PCB que aborde todas las fuentes de ruido, y debes tener cuidado con el uso de condensadores mostrado. Esto ilustra un método para garantizar un potencial de tierra constante en todas las regiones de tierra; es un método recomendado en sistemas Ethernet industriales. La idea aquí es bloquear cualquier potencial de CC que pueda desarrollarse entre dos secciones de tierra.

El peligro aquí es la creación de bucles de tierra y ruido en modo común, que luego deben ser filtrados. Conectar las tierras de esta manera es básicamente lo que se hace cuando tienes un chasis metálico, mientras que los recintos de plástico dejarán las tierras aisladas. Esto se vuelve complicado y requiere un diseño de circuito y PCB cuidadoso para superar todas las pruebas EMC.

Etapa de Salida

El aislamiento galvánico en la etapa de salida no es obligatorio; depende de la topología del regulador de CC (ver el convertidor flyback como un buen ejemplo). También es común colocar un circuito de filtro EMI conducido o un estrangulador de modo común en la salida para suprimir corrientes en modo común que lleguen a los circuitos de carga. Además de estos puntos, la etapa del regulador de salida se diseñará utilizando las mejores prácticas para la topología del regulador en particular. A continuación, cubriré estas ideas generales sobre el diseño de reguladores.

La etapa de salida de la unidad de fuente de alimentación puede no ser el regulador final en el sistema. En su lugar, podría alimentar otro regulador o una serie de reguladores, cada uno de los cuales proporcionará un voltaje establecido a una corriente máxima para un grupo de componentes. De nuevo, esto podría hacerse en una sola placa o en múltiples placas (una para la fuente de alimentación, otra para las etapas de reguladores):

El árbol de energía anterior muestra reguladores en paralelo (en cadena), pero estos también podrían estar en cascada en una topología de árbol. Este mapeo de la corriente en tu PDN es bastante útil, ya que te ayuda a trazar rápidamente cuánto contribuirá cada etapa reguladora descendente a la corriente total en el PDN. La corriente total e individual determinarán el tamaño de los rieles de energía o del plano de potencia necesarios para transportar suficiente corriente a cada sección del sistema.

Diseño de Cada Bloque de Circuito

Ahora que podemos ver la arquitectura general del sistema, podemos tener una idea de cómo diseñar cada bloque de circuito en una fuente de alimentación conmutada y el sistema en general para garantizar baja EMI y seguridad. Piensa en todo el diagrama de bloques al crear tu diseño de PCB:

• Diseñar en secciones: Al igual que en otras placas con múltiples bloques funcionales, intenta diseñar la placa de la fuente de alimentación en secciones. Está bien hacerlo de manera lineal avanzando desde la entrada hasta la salida en el diagrama de bloques.
• Planificar el diseño con retroalimentación: A veces, como en reguladores de alta corriente de precisión, tendrás algo de retroalimentación entre secciones. Usa optoacopladores para cerrar la brecha de tierra entre cada sección.
• Seguir las rutas de retorno de tierra: Si hay alguna pauta universal en el diseño de PCB, probablemente sea “sigue tu ruta de retorno de tierra.” Para fuentes de alimentación, esto es crítico para identificar ubicaciones donde se pueden desarrollar corrientes en modo común y para garantizar bajas inductancias de bucle en cada sección de suministro.
• Prestar atención a rieles de alta corriente y alto voltaje: Diseñar para alta tensión y alta corriente a veces se mezcla. La diferencia de potencial máxima entre dos conductores determinará su separación mínima (ver IPC-2221), y la corriente que transporta un conductor determinará su ancho requerido para garantizar una baja temperatura (ver IPC-2152 para capas internas o externas).

Mientras trabajas en la parte del diseño de la red de distribución de energía (PDN), también debes considerar cómo se conectará a tierra cada sección y cómo se unirán las tierras para proporcionar un potencial de referencia constante. Esto es bastante importante para prevenir interferencias electromagnéticas (EMI), como mencioné anteriormente. Esto debe hacerse antes de comenzar con el diseño del PCB.

Consejos para el Diseño de Reguladores Conmutados en Fuentes de Alimentación

Una vez que hayas seleccionado los componentes para el regulador, creado esquemas y diseñado una estrategia de distribución de tierra/energía, puedes empezar a pensar en el diseño del PCB. El diseño de PCB para un regulador de potencia conmutado se trata de equilibrar compensaciones: necesitas equilibrar el tamaño de los conductores con los requisitos de separación, pero al mismo tiempo mantener las cosas compactas.

Hemos publicado múltiples guías en este blog sobre cómo diseñar topologías específicas de reguladores. En lugar de revisar todas estas posibilidades, la lista a continuación muestra algunas pautas generales que se aplicarán a tu sistema.

1. Siempre implementa las reglas mínimas de separación y ancho de traza para tu sistema.
2. Mantén las líneas de retroalimentación para la detección de voltaje/corriente cortas y con el enrutamiento más directo posible.
3. Probablemente tendrás que agrupar algunos componentes de control y detección alrededor de tus CI de controlador y driver, así que asegúrate de realizar conexiones cortas entre ellos; está bien agrupar estos componentes en un área compacta (ver abajo).
4. Considera usar cobre grueso o incluso un PCB con núcleo metálico si estás diseñando para alta corriente.
5. No dudes en usar polígonos como almohadillas de montaje para componentes o conectores. Ten cuidado al conectarlos directamente a un plano, ya que podrías necesitar alivios térmicos.
6. Aunque los reguladores pueden tener una eficiencia muy alta, aún pueden calentarse. Asegúrate de dejar espacio en el diseño para disipadores térmicos (si los hay) en los CI. Otra opción es utilizar un material de interfaz térmica.

Las directrices específicas de diseño para tu regulador conmutado dependerán de la topología, el número de componentes, la presencia de realimentación y la estrategia de conexión a tierra. Con suerte, ya habrás pensado en la conexión a tierra para prevenir EMI y proporcionar cualquier aislamiento necesario antes de comenzar tu diseño de PCB. Para ver algunas pautas más específicas para tu regulador particular, consulta algunos de estos otros recursos:

• Cómo diseñar un regulador de voltaje tipo Boost
• Fuentes de alimentación aisladas vs no aisladas: la elección correcta sin fallos
• Diseño y distribución de PCB para convertidores resonantes LLC
• Regulador de voltaje de bajo ruido y baja EMI

¿Qué no hemos cubierto?

Obviamente, hay mucho que considerar en la lista anterior de directrices de diseño para fuentes de alimentación conmutadas y circuitos reguladores. Entonces, ¿qué falta? Hay algunos aspectos críticos de la regulación y distribución de energía que no están presentes en la discusión anterior:

• Impedancia del PDN: Si no estás diseñando con componentes de alta velocidad/alta frecuencia, probablemente no necesites preocuparte por la impedancia del PDN. Solo asegúrate de usar rieles de alimentación gruesos y mucho cobre vertido. Si estás diseñando para alta velocidad/alta frecuencia, entonces la baja impedancia del PDN es muy importante para suprimir el rizado, lo cual se logra normalmente con muchos capacitores de desacoplo y alta capacitancia entre planos.
• EMI en la fuente de alimentación: Ya he mencionado esto anteriormente. Cada vez que creas un diseño de PCB, deberías pensar en asegurar una baja EMI, pero hay mucho más para suprimir la EMI y pasar las pruebas de EMC que un enrutamiento de baja inductancia de bucle. Hablaré de estos puntos en un artículo dedicado a la EMI en fuentes de alimentación.
• Alimentación analógica: Aquí estamos viendo convertidores conmutados como normalmente se discuten en el contexto de ICs digitales. ¿Qué hay de los componentes analógicos? Sus necesidades de alimentación pueden ser bastante diferentes. Los ICs digitales que generan una señal analógica/RF normalmente lo hacen internamente. Sin embargo, hay LDOs especializados (por ejemplo, NCP161BMX280TBG) o reguladores conmutados (por ejemplo, LTC3388IMSE-1).

También está el tema de la selección de componentes, como la elección de inductores para garantizar baja EMI y acoplamiento de ruido en modo común, así como para asegurar una baja corriente de rizado. El último punto de la lista anterior es también bastante importante porque los circuitos puramente analógicos no tendrán el mismo estilo de diseño que un regulador de energía o una fuente de alimentación integrada para sistemas digitales. Una vez que trabajas a frecuencias extremadamente altas, los problemas de fuentes de alimentación RF son más difíciles de manejar debido a la capacitancia parasitaria, similar a lo que se ve en circuitos de amplificadores inestables. Este es otro tema que me encanta, pero lo dejaré para un artículo diferente.

Con las mejores herramientas de diseño de PCB en Altium Designer®, puedes implementar las directrices de diseño para fuentes de alimentación conmutadas que he descrito aquí. También tendrás las herramientas necesarias para encontrar ICs reguladores, componentes para circuitos reguladores más grandes y otros componentes para tu sistema. Para cálculos más avanzados sobre EMI conducida o radiada, los usuarios de Altium Designer pueden usar la extensión EDB Exporter para importar su diseño en solucionadores de campo de Ansys. Este par de aplicaciones de diseño y solucionadores de campo te ayuda a verificar tu diseño antes de comenzar una producción prototipo.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar archivos para tu fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y el intercambio de tus proyectos. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para una descripción más detallada de las características o uno de los seminarios web a la carta.