Disposition de PCB pour SMPS haute tension afin de minimiser la chaleur et le bruit

Que vous effectuiez une conversion AC-DC ou DC-DC, les agencements d'alimentation à découpage sont courants dans la conception de haute tension et doivent être construits avec soin. Bien que ce système soit assez commun, il émettra facilement des interférences électromagnétiques (EMI) en raison des changements rapides de tension et de courant pendant la commutation. Les concepteurs peuvent rarement adapter des conceptions existantes à de nouveaux systèmes car un petit changement dans un domaine peut créer un problème d'EMI difficile à diagnostiquer.

Avec les bons choix de disposition et de routage, vous pouvez empêcher le bruit de devenir un problème significatif sur la sortie de votre SMPS. Les convertisseurs de basse tension peuvent être achetés sous forme de circuits intégrés avec différents formats, mais les convertisseurs de haute tension devront être produits à partir de composants discrets sur une carte dédiée. Voici quelques conseils importants sur la disposition des PCB SMPS pour vous aider à garder les composants au frais et à prévenir les problèmes de bruit dans votre système.

Problèmes de bruit et de chaleur dans votre disposition de PCB SMPS

Il n'y a pas moyen de contourner cela : tout SMPS produira un bruit de fréquence modérément élevée en raison de l'action de commutation du transistor. En effet, vous remplacez le ripple de basse fréquence (c'est-à-dire, provenant d'un redresseur complet pendant la conversion AC-DC) par un bruit de commutation de haute fréquence. Bien que cette conversion produise une sortie DC plus stable, il reste néanmoins la question de deux sources importantes de bruit :

• Bruit de commutation direct provenant de l'élément de commutation.
• Bruit transitoire ailleurs dans le système.

Le bruit peut apparaître sur la sortie d'une unité SMPS sous forme de bruit conduit et de bruit rayonné. Bien que la cause de chaque problème puisse être compliquée à diagnostiquer, il peut être facile de distinguer entre les deux types de bruit. L'autre défi de conception dans la disposition des PCB SMPS est la chaleur générée dans la carte. Bien que cela puisse être influencé par le choix de la bonne fréquence PWM, du cycle de travail et du temps de montée, vous devrez toujours utiliser les bonnes stratégies de gestion thermique dans votre carte. Avec ces deux défis à l'esprit, examinons certains des points les plus fins à surveiller dans votre disposition de PCB SMPS.

Gestion Thermique

Un SMPS idéal dissipera zéro puissance, bien que cela ne se produise pas dans la réalité. Votre transistor de commutation (et transformateur d'entrée pour la conversion AC-DC) dissipera la majeure partie de la puissance sous forme de chaleur. Même si l'efficacité peut dépasser 90% dans les topologies d'alimentation à découpage, les MOSFETs de puissance peuvent encore dissiper une chaleur significative pendant la commutation. La pratique courante ici consiste à placer des dissipateurs thermiques sur les composants de commutation critiques ; assurez-vous de les relier à votre plan de masse pour éviter une nouvelle source d'EMI.

Dans les alimentations de haute tension/haute courant, ces dissipateurs thermiques peuvent être assez grands. Vous pouvez donner un coup de pouce supplémentaire à votre système en montant un ventilateur sur le boîtier. Encore une fois, assurez-vous de suivre les meilleures pratiques concernant l'alimentation de ce ventilateur pour éviter de nouveaux problèmes d'EMI.

Quelques conseils pour la disposition des PCB SMPS

Votre Empilement de PCB

Votre disposition aidera quelque peu à la gestion thermique, mais elle est un facteur plus important de susceptibilité aux EMI. Le bruit conduit est normalement géré en utilisant des circuits de filtrage EMI sur les circuits d'entrée et de sortie. Comme beaucoup de problèmes d'EMI dans les systèmes à haute vitesse/haute fréquence, votre empilement sera le principal déterminant de l'immunité aux EMI rayonnés.

Les fréquences pertinentes auxquelles le SMPS fonctionnera se situent entre ~10 kHz et ~1 MHz, donc les EMI rayonnés induiront du bruit par induction. Par conséquent, vous voulez placer le plan de masse dans votre empilement directement sous la couche de surface avec tous vos composants de puissance. Cela garantira une faible inductance de boucle pour les circuits sur la couche de surface. Tout signal de bruit induit qui se propage à la sortie sera généralement éliminé par filtration à la sortie.

Il y a certaines objections à placer une masse sous ou près des bobines (inducteur, transformateur ou filtre antiparasite) dans votre agencement de PCB. La raison est que la capacité de bobinage dans une bobine peut coupler le courant d'un plan de masse de retour dans la bobine, créant un bruit de mode commun qui est une source d'EMI. Il est très important de suivre les chemins de retour dans votre agencement pour prévenir le couplage de bruit de mode commun, une tâche qui est facilitée avec l'utilitaire de résolution de champ adéquat.

Transitoires et Oscillations

Les transitoires représentent un problème plus difficile à résoudre car ils sont liés à votre empilement, au routage, à la présence de vias et à un découplage insuffisant/une impédance excessive. Comme c'est le cas dans la conception à haute vitesse, ne routez aucun cuivre transportant un signal de commutation au-dessus d'un interruption dans le plan de masse, car cela créera une sorte de structure d'antenne qui peut rayonner fortement lors des transitoires. Ces transitoires tendent à être de haute fréquence (de l'ordre de dizaines à centaines de MHz).

Le problème avec les oscillations transitoires est un problème de gestion de l'impédance. Une haute impédance conduit à une forte ondulation de tension. Les composants doivent être placés avec les bons motifs de connexion pour minimiser l'impédance dans le PDN du circuit imprimé. Des exemples de bons et mauvais motifs de connexion pour vos composants sont montrés ci-dessous.

Enfin, il est préférable de ne laisser aucune île isolée dans votre agencement. Connectez toutes les îles d'alimentation qui pourraient contenir des circuits de contrôle ou des composants passifs au plan de masse avec des condensateurs de découplage. Soyez prudent avec le placement de tout via dans ces situations, car vous ne voulez pas créer une encoche ou une fente non intentionnelle dans votre plan de masse.

Plus sur la conception de SMPS haute tension

Si vous êtes intéressé par un circuit de commande de tension modérée pour alimenter des LED de haute intensité, jetez un œil à cet article de Mark Harris. Il y a aussi la question de déterminer la meilleure fréquence de commutation à utiliser dans votre SMPS. Cela peut être un problème d'optimisation difficile à résoudre, mais vous pouvez vous en approcher beaucoup plus si vous comprenez le comportement de commutation de votre MOSFET lorsqu'il est piloté par un signal PWM. J'ai discuté de ce point dans un article récent. Enfin, consultez nos conseils sur la conception de cartes haute tension (y compris un SMPS) selon les normes IPC.

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