Directrices de diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas

Los diseñadores de fuentes de alimentación entienden los complejos detalles técnicos y requisitos funcionales asociados al diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas.

El diseño determina la susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas (EMI), el comportamiento térmico, la integridad de la potencia y la seguridad. Un buen diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas asegura una conversión de energía y un suministro a una carga de alta eficiencia, al tiempo que permite transportar el calor lejos de los componentes calientes del diseño, además de asegurar un acoplamiento de ruido reducido alrededor de un sistema electrónico.

La seguridad también es un factor importante en los reguladores de conmutación, que pueden suministrar corriente elevada a una salida, lo que supone un riesgo para la seguridad. Las malas elecciones de diseño generan problemas en los niveles de alta corriente y se hacen patentes a través de grandes diferencias entre la tensión de entrada y salida.

Algunos problemas frecuentes relacionados con la fuente de alimentación que se observan en un mal diseño de PCB incluyen la pérdida de regulación en la alta corriente de salida, un ruido excesivo en la salida y las formas de onda de conmutación e inestabilidad del circuito.

La combinación de herramientas de simulación de integridad de la potencia en CC, las funciones de simulación y análisis de circuitos y el conjunto más completo de herramientas de diseño y enrutamiento, permite a los diseñadores garantizar que su dispositivo será seguro y fiable. 

Altium Designer ofrece un software de diseño de PCB con fuentes de alimentación, y mucho más, que ayuda a evitar estos problemas.

Altium Designer

Un software de diseño de PCB que te ayuda a seguir las directrices de diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas.

Las fuentes de alimentación deben lidiar con una serie de dificultates específicas y requieren una gama integral de funciones de diseño y análisis para garantizar su correcto funcionamiento. Además, estos diseños pueden generar riesgos de seguridad que pueden resultar peligrosos para los usuarios, ya sea a través de la exposición a alto voltaje o de una descarga repentina de corriente. ¿Cómo pueden los diseñadores asegurarse de estar creando fuentes de alimentación seguras, precisas y fiables?

Las fuentes de alimentación conmutadas se usan comúnmente para la conversión entre corriente alterna (CA) rectificada de alta corriente y voltaje, mediante el uso de un elemento de alimentación conmutado en un circuito reactivo. A diferencia de los reguladores LDO típicos, estos componentes no son lineales y, a menudo, emplean retroalimentación para mantener la regulación. En un LDO, la regulación se mantiene a través de la saturación de un amplificador de error, lo que genera pérdidas resistivas que se perciben como calor en el diseño de la PCB.

Aunque, desde el punto de vista de la regulación y la eficiencia se prefieren los reguladores de conmutación, su diseño puede resultar complejo, dado que implican más componentes, algunos de los cuales tienen características parásitas más grandes y pueden ser susceptibles a problemas de ruido si no se distribuyen correctamente. Antes de empezar a diseñar tu próxima fuente de alimentación, asegúrate de seguir estas directrices de diseño de PCB de fuentes de alimentación conmutadas para garantizar la fiabilidad del diseño.

Cómo empezar a diseñar tu PCB con fuente de alimentación conmutada

Existen algunas reglas básicas de diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas que contribuirán a asegurar que tu diseño tenga escasos problemas de ruido e interferencias electromagnéticas (EMI) radiadas reducidas, además de mantenerse a baja temperatura. A grandes rasgos, estas directrices pueden resumirse de la siguiente forma:

• Trata de mantener las interferencias electromagnéticas (EMI) bajas, definiendo correctamente la tierra, utilizando rutas cortas en el diseño de la PCB y organizando la placa del circuito de PCB en secciones aisladas galvánicamente, de forma que no haya acoplamiento de ruido.
   
• Cuando sea necesario, utiliza los circuitos de filtro EMI de entrada y salida apropiados si hay ruido en el diseño, si se requieren funciones como el seguimiento de envolvente o si existen problemas en el diseño causados por fuentes de ruido específicas.
   
• Emplea abundante cobre para proporcionar una vía para la disipación del calor alejada de los componentes importantes. Si es necesario, puedes considerar un diseño de carcasa único, así como agregar disipadores de calor o ventiladores en los componentes calientes.
   
• Coloca circuitos de conmutación rápida y alta corriente, como matrices MOSFET, con el fin de evitar que se produzcan oscilaciones parasitarias en el diseño durante los eventos de conmutación.

Ciertos organismos reguladores, como Underwriter Laboratories y la IEC, prueban las fuentes de alimentación para comprobar las interferencias electromagnéticas (EMI) radiadas y conducidas, así como la estabilidad, la eficiencia y la vida útil. Asimismo, las normas FCC y CE imponen límites sobre las emisiones de las fuentes de alimentación conmutadas, dado que estos dispositivos pueden actuar como radiadores involuntarios.

Altium Designer te ofrece las herramientas de análisis de circuitos necesarias para aprender más sobre el comportamiento eléctrico de tu dispositivo, mientras que las herramientas de diseño de PCB te ayudan a crear un diseño que satisfaga los requisitos anteriores teniendo en cuenta tus especificaciones eléctricas simuladas.

Define cuidadosamente la conexión a tierra

La primera pauta para el diseño de PCB con fuentes de alimentación conmutadas que debe tenerse en cuenta es el modo en que se define la conexión a tierra en el diseño. Cuando diseñes un circuito de alimentación conmutada, recuerda que existen cinco puntos de tierra. Estos pueden estar separados en distintos conductores para garantizar el aislamiento galvánico.

Los distintos puntos de tierra en un circuito de alimentación conmutada son los siguientes:

• Conexión a tierra de la fuente de alta corriente de entrada.
• Conexión a tierra del bucle de corriente de alta corriente de entrada.
• Conexión a tierra del rectificador de alta corriente de salida.
• Conexión a tierra de la carga de alta corriente de salida.
• Conexión a tierra de control de bajo nivel.

Cada una de estas conexiones a tierra puede existir en conductores físicamente separados, dependiendo de la necesidad de aislamiento galvánico en el circuito convertidor, rectificador o regulador. 

El circuito de tu fuente de alimentación puede tolerar ruido de modo común si las conexiones a tierra se acoplan capacitivamente, como puede ocurrir frecuentemente a través de una carcasa conductiva cercana. Las regiones de tierra de una PCB deben estar claramente definidas en cada lado de los componentes aislantes.

Si, por algún motivo, es necesario puntear las conexiones para eliminar una compensación de corriente continua (CC), un condensador con clasificación Y es la mejor opción, ya que proporciona un filtrado de alta frecuencia y elimina la compensación de CC entre las regiones de tierra.

Aunque cada conexión a tierra de alta corriente funciona como una parte de los bucles de corriente, esta debe organizarse para proporcionar una vía de retorno de baja impedancia para las corrientes. Esto puede requerir múltiples vías de regreso al plano de tierra para admitir una alta corriente con baja inductancia equivalente.

Estos puntos y el potencial en el que se encuentran con respecto a la conexión a tierra del sistema se convierten en el punto de medición de las señales de CC y CA que fluyen centre los diferentes puntos del circuito.

Debido a la necesidad de evitar que el ruido de las conexiones a tierra de CA de alta intensidad escape, el terminal negativo del condensador de filtro adecuado sirve como punto de conexión para las conexiones a tierra de alta corriente.

La práctica recomendada para definir las regiones de tierra es emplear planos grandes o vertido de polígonos. Estas regiones proporcionan caminos de baja impedancia para disipar el ruido lejos de la salida de CC y pueden soportar corrientes de retorno elevadas. Además, proporcionan un camino para transportar el calor lejos de los componentes importantes cuando sea necesario. 

La colocación de un plano de tierra en ambos lados ayuda a absorber las EMI radiadas, reduce el ruido y disminuye los errores de bucles de tierra. Mientras funcionan como escudos electrostáticos y disipan las EMI radiadas en las corrientes de Foucault, los planos de tierra también separan las pistas de alimentación y los componentes del plano de alimentación de los componentes del plano de señal.

Las herramientas CAD de Altium Designer facilitan la definición de las conexiones a tierra en el diseño de tu PCB, así como la colocación de grandes conductores para utilizarlos como regiones de tierra. Especialmente, al trabajar con fuentes de alimentación conmutadas, puedes utilizar un plano de tierra en ambos lados de la PCB y conectarlos con vías para garantizar un potencial consistente en todas tus conexiones a tierra.

• Las regiones de tierra de un diseño pueden recibir diversos nombres dependiendo de su función. Define cuidadosamente las regiones de tierra de tu diseño y asegúrate de enlazarlas correctamente. 
  Más información sobre las conexiones a tierra digitales y analógicas para placas de circuitos.
   
• Los planos de tierra son importantes en los sistemas más allá de los diseños de PCB de fuentes de alimentación. Asegúrate de definir las conexiones para tener una baja impedancia sin que afecte al montaje. 
  Más información sobre la creación de un plano de tierra en Altium Designer.
   
• El ruido en modo común y la ondulación conducida, son las fuentes de ruido dominantes en un diseño de PCB y pueden provocar que un diseño falle la prueba de EMI cuando el ruido es extremo. 
  Más información sobre las EMI en las fuentes de alimentación y algunas medidas para reducirlas.

El editor de esquemas te ayuda con el diseño

La conexión a tierra es un punto importante para iniciar el diseño, ya que determinará la inmunidad al ruido y la enrutabilidad de la disposición de la PCB. Sin embargo, no es la única consideración a tener en cuenta en el diseño de fuentes de alimentación. La acción de conmutación y la supresión de las EMI están integradas en las fuentes de alimentación y deben definirse claramente en la PCB.

Dónde definir las conexiones a tierra

La capacidad del controlador de la fuente de alimentación conmutada de regular con precisión el voltaje de salida depende de la conexión a tierra de control de bajo nivel. Al trabajar con circuitos integrados, condensadores de entrada, condensadores de salida y diodos de salida, es importante asegurarte de que los componentes se conecten a un plano de tierra.

La conexión a tierra se vincula a un punto donde el circuito integrado de control y sus circuitos asociados miden la corriente alterna (CA), la corriente continua (CC), el voltaje de salida y otros parámetros principales. La conexión a tierra de bajo nivel al lado inferior de la resistencia de detección de corriente o del divisor de tensión de salida, evita que el circuito de control detecte el ruido en modo común.

Diseño de la acción de conmutación

Una fuente de alimentación conmutada funciona conmutando rápidamente las unidades de paso entre el funcionamiento en corte y el funcionamiento en saturación y suministrando energía constante a una carga de salida. En corte, existe una alta tensión en la unidad de paso, pero no fluye corriente. En saturación, una corriente elevada fluye a través de la unidad de paso con una caída de tensión muy pequeña.

Dado que el interruptor semiconductor crea una tensión de corriente alterna (CA) a partir de la tensión de entrada de corriente continua (CC), la fuente de alimentación conmutada puede elevar o reducir la tensión con transformadores y posteriormente filtrar la tensión de nuevo a CC en la salida.

Las fuentes de alimentación conmutadas con modulación por ancho de pulsos (PWM) funcionan en modo directo o en modo elevador (boost). Los suministros del modo directo tienen un filtro L-C en la salida que crea un voltaje de salida de CC a partir del promedio de voltaje de la salida obtenida del filtro. Para controlar el promedio de voltaje de la señal, el controlador de la fuente de alimentación de conmutación cambia el ciclo de servicio del voltaje rectangular de entrada.

Convertidores Buck vs. convertidores Boost

Los suministros del modo del convertidor Boost conectan un inductor directamente a la fuente de voltaje de entrada cuando el interruptor de alimentación está en la posición de encendido. La corriente del inductor aumenta desde cero y alcanza su punto máximo al apagar el interruptor de alimentación.

Un rectificador de salida bloquea el voltaje de salida del inductor y evita que el voltaje exceda la tensión de salida de la fuente de alimentación. Cuando la energía almacenada en el núcleo del inductor pasa al condensador de salida, el terminal conmutado del inductor vuelve a descender al nivel de la tensión de entrada.

Por su parte, las fuentes de alimentación del modo del convertidor Buck, utilizan los mismos componentes, pero en una topología diferente para limitar el campo electromagnético del inductor a un nivel inferior al de la tensión de entrada. La acción de conmutación proporciona el mismo efecto que en un convertidor Boost, donde la corriente de salida oscila compitiendo con un condensador de carga/descarga, permitiendo así la regulación de la potencia de salida.

Ambos tipos de topologías de regulador/convertidor permiten que el ruido de conmutación se propague a los puertos de salida del diseño, lo que da como resultado una ondulación de alta frecuencia en la salida.

El enrutamiento de la fuente de alimentación ayuda a garantizar un funcionamiento con poco ruido

Las fuentes de alimentación conmutadas conducen ruido de alta frecuencia hasta que la frecuencia de ruido alcanza aproximadamente 100 veces la frecuencia de conmutación. A continuación, la frecuencia de ruido cae a una velocidad de -20 a -40 dB por década.

Dado que los reguladores de conmutación funcionan con estados de alimentación «activado» y «desactivado», en el circuito de la fuente de alimentación conmutada fluyen grandes pulsos de corriente con bordes afilados y, como resultado, crean interferencias electromagnéticas (EMI). La transición entre los estados de alimentación ACTIVADO y DESACTIVADO genera EMI, y estas pueden inducirse en otras partes de tu sistema si los bucles de corriente del diseño de la fuente de alimentación son demasiado grandes. 

Los circuitos de fuentes de alimentación conmutadas consisten en un bucle de conmutador de alimentación y bucles de rectificador de salida, que deben enrutarse adecuadamente para evitar un ruido excesivo.

Al diseñar la fuente de alimentación, presta especial atención a la circunferencia de los bucles y la longitud y el ancho de las pistas. La reducción de la circunferencia del bucle evita que funcione como una antena de ruido de baja frecuencia.

Desde el punto de vista de la eficiencia del circuito, las pistas más anchas también brindan una disipación de calor adicional para los rectificadores e interruptores de alimentación. Puedes utilizar el motor de enrutamiento de ruta activo para lograr unos resultados de enrutamiento humanos y organizar tus componentes para permitir que los bucles de corriente de conmutación se realicen en la misma dirección. Cuando los bucles de corriente se producen en la misma dirección, los circuitos de control se acoplan a puntos específicos en el diseño. Como resultado, el campo magnético no puede invertirse a lo largo de las pistas situadas entre los dos semiciclos y generar EMI radiadas.

• Las herramientas de enrutamiento de Altium Designer te ayudan a colocar fácilmente polígonos para líneas de alta corriente/alta tensión o pistas más finas para líneas de datos y control. 
  Más información sobre el enrutamiento de un diseño de fuente de alimentación en Altium Designer.
   
• A la hora de diseñar la fuente de alimentación, asegúrate que las pistas que soportan altas corrientes de conmutación sean cortas, directas y gruesas. Pueden utilizarse las normas del IPC para calcular los anchos de pista recomendados, aunque, por regla general, el ancho mínimo es de 15 mils por amperio. 
  Más información sobre cómo calcular el ancho de pista para garantizar una capacidad de carga de corriente elevada.
   
• Los filtros de EMI de la fuente de alimentación conmutada suprimen el ruido de alta frecuencia causado por las corrientes de alta frecuencia conducidas dentro del cableado de entrada y salida de CC. Puedes usar los precios y la disponibilidad de los componentes integrados y los enlaces de la hoja de datos que encontrarás en las bibliotecas y en la Altium Content Vault para diseñar unos filtros que ofrezcan los mejores resultados. 
  Más información sobre los circuitos de filtros EMI en un diseño de PCB.

Consejos de disposición de PCB para nodos de voltaje de CA con fuentes de alimentación conmutadas

Según la configuración de la fuente de alimentación conmutada, los nodos de voltaje de CA existen en el drenaje del MOSFET de potencia o el colector de un BJT y los ánodos de los rectificadores de salida.

Cada uno de estos nodos puede tener tensiones de CA elevadas. Por ejemplo, el voltaje de pico a pico de la CA, que se encuentra en el drenaje del MOSFET, puede medir lo mismo o el doble que el voltaje de entrada. Con el drenaje atornillado a un disipador térmico a través de un aislante, el disipador térmico conectado a tierra proporciona un camino para el ruido creado por el acoplamiento capacitivo. Puedes utilizar las herramientas de diseño de PCB de Altium Designer para colocar las señales sensibles en el mismo lado en lugar de debajo de un nodo de CA ruidoso. Además, puedes sombrear cualquier plano de tierra ubicado bajo el nodo para eliminar el ruido.

Los entornos de montaje en superficie tienen valores de capacitancia más pequeños, pero pueden acoplar ruido en señales sensibles. Debido a estos factores, el diseño también debe tener en cuenta la posibilidad de acoplamiento capacitivo de las tensiones de los nodos de CA en los disipadores térmicos o los planos de tierra adyacentes. Al realizar un diseño de PCB de montaje en superficie, haz los nodos lo suficientemente grandes como para servir como disipadores térmicos para el rectificador o el interruptor de alimentación. Algunos diseños multicapa aumentan la masa térmica del diseño haciendo que todas las capas por debajo del nodo de CA sean idénticas al nodo de CA y conectando las capas con agujeros pasantes chapados.

Altium Designer te ofrece un conjunto completo de herramientas de diseño y disposición

La gama integral de funciones de diseño y trazado de PCB en Altium Designer te brinda las herramientas necesarias para crear sistemas de potencia fiables y seguros. También puedes crear y simular importantes topologías de circuitos de alimentación y filtros EMI que pueden utilizarse en cualquier aplicación, desde sistemas de CC de alta potencia hasta sistemas de CA de alta frecuencia. El complemento PDN Analyzer para Altium Designer proporciona los mejores recursos para el análisis de tensión y CC del circuito. Si bien trazar un diseño de PCB para una fuente de alimentación conmutada puede parecer inicialmente abrumador, Altium Designer te brinda herramientas que desglosan la complejidad de la fuente de alimentación en tareas fáciles de entender.

• Altium Designer te ofrece todo lo que necesitas para convertir tus ideas en realidad. Con Altium Designer, puedes crear lo que quieras, desde circuitos MOSFET sencillos hasta diseños de fuentes de alimentación de RF avanzados. 
  Más información sobre las herramientas de diseño de PCB integradas de Altium Designer.
   
• La extensión PDN Analyzer de Altium Designer permite a los usuarios analizar la salida de su fuente de alimentación con simulaciones de integridad de la energía CC acordes con los estándares del sector. 
  Más información sobre el complemento PDN Analyzer para Altium Designer.
   
• Todos los usuarios de Altium Designer pueden compartir sus diseños a través de la plataforma Altium 365. Los equipos de diseño utilizan Altium 365 para ser más productivos y compartir sus datos de diseño en un entorno seguro en la nube. 
  Más información sobre cómo compartir los datos de diseño de PCB en Altium 365.

El objetivo de Altium siempre ha sido ofrecer a los usuarios una experiencia de diseño optimizada a través de una interfaz de diseño unificada. El editor de diagramas esquemáticos, el editor de PCB, el paquete de simulación SPICE, las funciones de enrutamiento y las herramientas de simulación de Altium Designer te ofrecen todo lo que necesitas para construir fuentes de alimentación seguras, fiables y libres de ruido. Cuando necesites un conjunto completo de instrumentos de creación y gestión de componentes, utiliza las mejores herramientas ECAD del sector para crear y simular tus circuitos.

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