Directives de disposition des PCB pour les alimentations et régulateurs à découpage

Les alimentations et les régulateurs peuvent prendre toutes les formes et tailles. Bien qu'ils soient normalement considérés comme des produits différents, ils sont équivalents sur le plan électrique, en particulier les régulateurs à découpage. D'un point de vue système de haut niveau, la section régulateur à découpage dans une alimentation et le circuit régulateur proprement dit remplissent les mêmes fonctions au sein du même schéma bloc.

Pour une alimentation, c'est simplement une question d'échelle et de la manière dont le régulateur s'intègre avec d'autres blocs de conversion de puissance dans le système. La section régulateur à découpage dans une alimentation, et le circuit régulateur à découpage sur un PCB, doivent être agencés selon les mêmes directives générales pour assurer un fonctionnement à faible bruit.

Dans les sections à venir, je souhaite me concentrer brièvement sur la manière dont les alimentations et les régulateurs sont différents, bien que cela devrait déjà être clair pour la plupart des concepteurs. Une alimentation inclura (ou devrait inclure) un régulateur de puissance, mais un régulateur peut être un circuit autonome qui ne fait pas partie de ce que nous pourrions appeler une alimentation. Pour une alimentation et pour un PCB avec un régulateur embarqué, la disposition du régulateur à découpage sera un facteur déterminant de la performance globale du système. Par conséquent, nous examinerons principalement quelques directives de disposition pour les alimentations à découpage en termes de disposition de régulateur.

Directives de disposition système pour les alimentations à découpage

Avant d'examiner la section régulateur d'une alimentation à découpage, nous devrions d'abord regarder un schéma de bloc de haut niveau de l'ensemble du système. Si vous concevez une unité d'alimentation électrique, alors l'unité entière aura la topologie montrée ci-dessous. Cela est particulièrement important pour une alimentation qui prendra le courant alternatif d'une prise murale.

Le schéma de bloc ci-dessus pourrait être implémenté sur plusieurs cartes, bien qu'il soit courant de tout mettre sur une seule carte pour laisser de la place pour de grands transformateurs, dissipateurs thermiques, ventilateurs et supports mécaniques, surtout pour les alimentations de haute tension/courant. Si vous concevez un petit régulateur pour une carte qui se branchera sur une unité d'alimentation, alors vous travaillerez de toute façon dans la topologie ci-dessus, vous aurez juste un lien de masse entre le régulateur de sortie et votre nouveau régulateur. Encore une fois, cela est courant pour les alimentations de fort courant.

Il y a quelques autres points à discuter dans le schéma ci-dessus :

Isolation Galvanique

Dans le schéma de bloc ci-dessus, nous avons trois régions de masse séparées reliées ensemble avec des condensateurs. Ne suivez pas aveuglément cette directive avec des condensateurs : il n'existe pas de technique unique de mise à la terre pour PCB qui traite chaque source de bruit et vous devriez être prudent avec l'utilisation ci-dessus des condensateurs. Ceci est montré pour illustrer une méthode permettant d'assurer un potentiel de masse constant à travers toutes les régions de masse ; c'est une méthode recommandée pour la mise à la terre dans les systèmes Ethernet industriels. L'idée ici est de bloquer tout potentiel continu qui pourrait se développer entre deux sections de masse

Le danger ici est la création de boucles de masse et de bruit en mode commun, qui doivent ensuite être filtrés. Relier les masses de cette manière est essentiellement ce qui est fait lorsque vous avez un châssis métallique, tandis que les boîtiers en plastique laisseront les masses isolées. Cela devient délicat et nécessite une conception de circuit et un agencement de PCB soigneux pour toujours réussir tous les tests CEM.

Étape de sortie

L'isolation galvanique sur l'étage de sortie n'est pas requise ; cela dépend de la topologie du régulateur DC (voir le convertisseur flyback pour un bon exemple). Il est également courant d'ajouter un circuit de filtre EMI conduit ou une self de mode commun sur la sortie pour supprimer les courants de mode commun atteignant les circuits de charge. Mis à part ces points, l'étage régulateur de sortie sera conçu en utilisant les meilleures pratiques pour la topologie de régulateur particulière. Je couvrirai ces idées plus larges de disposition de régulateur ci-dessous.

L'étage de sortie de l'unité d'alimentation électrique peut ne pas être le régulateur final dans le système. Au lieu de cela, il pourrait alimenter un autre régulateur ou une série de régulateurs, chacun fournissant une tension définie à un courant maximum à un groupe de composants. Encore une fois, cela pourrait être réalisé sur une seule carte, ou sur plusieurs cartes (une pour l'alimentation, une autre pour les étages de régulateur) :

L'arbre de puissance ci-dessus montre des régulateurs en parallèle (en chaîne), mais ceux-ci pourraient également être mis en cascade dans une topologie en arbre. Cette cartographie du courant dans votre PDN est assez utile car elle vous aide à tracer rapidement combien de courant chaque étage régulateur en aval contribuera au courant total dans le PDN. Le courant total et les courants individuels détermineront ensuite la taille des rails de puissance ou du plan de puissance nécessaire pour transporter suffisamment de courant à chaque section dans le système.

Mise en page de chaque bloc de circuit

Maintenant que nous pouvons voir l'architecture globale du système, nous pouvons avoir une idée de comment disposer chaque bloc de circuit dans une alimentation à découpage et le système global pour assurer une faible EMI et la sécurité. Pensez à l'ensemble du schéma de blocs lors de la création de votre mise en page de PCB :

• Disposition en sections : Tout comme d'autres cartes avec plusieurs blocs fonctionnels, essayez de disposer la carte d'alimentation en sections. Il est acceptable de le faire de manière linéaire en progressant de l'entrée à la sortie dans le schéma de bloc.
• Prévoyez de disposer avec retour d'information : Parfois, comme dans les régulateurs de courant élevé de précision, vous aurez un retour d'information entre les sections. Utilisez des optocoupleurs pour combler l'écart de masse entre chaque section.
• Suivez les chemins de retour à la terre : S'il existe une directive universelle dans la conception de PCB, c'est probablement « suivez votre chemin de retour à la terre ». Pour les alimentations, cela est crucial pour identifier les emplacements où des courants de mode commun peuvent se développer et pour assurer de faibles inductances de boucle dans chaque section d'alimentation.
• Faites attention aux rails de haute tension et de fort courant : Concevoir pour de haute tension et de fort courant sont parfois des aspects entremêlés. La différence de potentiel maximale entre deux conducteurs déterminera leur espacement minimum (voir IPC-2221), et le courant qu'un conducteur transporte déterminera sa largeur requise pour assurer une basse température (voir IPC-2152 pour les couches internes ou pour les couches externes).

Lorsque vous travaillez sur la partie de conception du réseau de distribution d'alimentation (PDN), vous devriez également réfléchir à la manière dont chaque section sera mise à la terre et comment les mises à la terre pourraient être liées ensemble pour offrir un potentiel de référence cohérent. Cela est assez important pour prévenir les interférences électromagnétiques (EMI), comme je l'ai évoqué ci-dessus. Cela devrait être fait avant de commencer à travailler sur la disposition du PCB.

Conseils de disposition pour régulateur de commutation d'alimentation

Une fois que vous avez sélectionné les composants pour le régulateur, créé les schémas et conçu une stratégie de distribution de masse/d'alimentation, vous pouvez commencer à réfléchir à l'agencement du PCB. L'agencement d'un PCB pour un régulateur à découpage est une question de compromis : vous devez équilibrer la taille des conducteurs par rapport aux exigences de dégagement, mais vous avez besoin que les choses soient compactes.

Nous avons publié plusieurs guides sur ce blog concernant l'agencement de topologies de régulateurs spécifiques. Au lieu de passer en revue toutes ces possibilités, la liste ci-dessous montre quelques lignes directrices générales qui s'appliqueront dans votre système.

1. Appliquez toujours les règles minimales de dégagement et de largeur de piste pour votre système.
2. Gardez toutes les lignes de retour pour la détection de tension/courant courtes avec le routage le plus direct possible.
3. Vous devrez probablement regrouper certains composants de contrôle et de détection autour de vos CI de pilote et de contrôleur, alors assurez-vous de faire des connexions courtes entre eux ; il est acceptable de regrouper ces composants dans une zone serrée (voir ci-dessous).
4. Considérez l'utilisation de cuivre épais ou même d'un PCB à âme métallique si vous concevez pour un courant élevé.
5. N'ayez pas peur d'utiliser des polygones comme pads de montage pour les composants ou les connecteurs. Soyez prudent avec la connexion directe à un plan car vous pourriez avoir besoin de reliefs thermiques.
6. Même si les régulateurs peuvent avoir une très haute efficacité, ils peuvent tout de même chauffer. Assurez-vous de prévoir de l'espace dans l'agencement pour tout dissipateur thermique (s'il y en a) sur les circuits intégrés. Une autre option est d'utiliser un matériau d'interface thermique.

Les directives spécifiques d'agencement pour votre régulateur à découpage dépendront de la topologie, du nombre de composants, de la présence de rétroaction et de la stratégie de mise à la terre. Espérons que vous avez pensé à la mise à la terre pour prévenir les interférences électromagnétiques (EMI) et fournir toute isolation requise avant de commencer l'agencement de votre PCB. Pour voir des directives plus spécifiques pour votre régulateur spécifique, jetez un œil à certaines de ces autres ressources :

• Comment concevoir un régulateur de tension boost
• Alimentations isolées vs non isolées : le bon choix sans faute
• Conception et agencement de PCB pour convertisseur résonant LLC
• Régulateur de tension à faible bruit, à faible EMI

Qu'avons-nous omis ?

De toute évidence, il y a beaucoup à considérer dans la liste ci-dessus des directives d'agencement pour les alimentations à découpage et les circuits de régulation. Alors, qu'est-ce qui manque ? Il y a quelques aspects critiques de la régulation et de la distribution de puissance qui ne sont pas présents dans la discussion ci-dessus :

• Impédance du PDN : Si vous ne concevez pas avec des composants à haute vitesse/haute fréquence, vous n'avez probablement pas à vous soucier de l'impédance du PDN. Assurez-vous simplement d'utiliser de larges rails d'alimentation et beaucoup de masse. Si vous concevez pour des applications à haute vitesse/haute fréquence, alors une faible impédance du PDN est très importante pour supprimer le bruit, ce qui est normalement accompli avec beaucoup de condensateurs de découplage et une capacité interplan élevée.
• EMI de l'alimentation électrique : J'ai fait allusion à cela ci-dessus. Chaque fois que vous créez un agencement de PCB, vous devriez penser à assurer une faible EMI, mais il y a beaucoup à faire pour supprimer l'EMI et réussir les tests de CEM au-delà du routage à faible inductance de boucle. Je discuterai de certains de ces points dans un article dédié à l'EMI de l'alimentation électrique.
• Alimentation analogique : Ici, nous examinons les convertisseurs à découpage comme normalement discutés dans le contexte des CI numériques. Et les composants analogiques ? Leurs besoins en alimentation peuvent être assez différents. Les CI numériques qui fournissent un signal analogique/RF le feront normalement en interne. Cependant, il existe des LDO spécialisés (par exemple, NCP161BMX280TBG) ou des régulateurs à découpage (par exemple, LTC3388IMSE-1).

Il y a également la question de la sélection des composants, comme la sélection des inducteurs pour assurer une faible interférence électromagnétique (EMI) et un couplage de bruit en mode commun, ainsi que pour garantir un courant ondulatoire faible. Le dernier point de la liste ci-dessus est également très important car les circuits purement analogiques n'auront pas le même style de disposition qu'un régulateur de puissance ou une alimentation électrique intégrée pour les systèmes numériques. Une fois que vous travaillez à des fréquences extrêmement élevées, les problèmes d'alimentation RF sont plus difficiles à gérer en raison de la capacité parasite, similaire à ce que l'on voit dans les circuits d'amplificateurs instables. C'est un autre sujet qui me passionne, mais que je réserverai pour un autre article de blog.

Avec les meilleurs outils de conception de PCB dans Altium Designer®, vous pouvez mettre en œuvre les directives de disposition pour les alimentations à découpage que j'ai décrites ici. Vous aurez également les outils nécessaires pour trouver des CI régulateurs, des composants pour des circuits régulateurs plus importants et d'autres composants pour votre système. Pour des calculs plus avancés impliquant une EMI conduite ou rayonnée, les utilisateurs d'Altium Designer peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer leur conception dans les solveurs de champ Ansys. Cette paire d'applications de solveur de champ et de conception vous aide à vérifier votre disposition avant de commencer une série de prototypage.

Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus détaillée des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.