Directives pour la conception de PCB d'alimentation à découpage

Zachariah Peterson
|  Créé: August 6, 2021  |  Mise à jour: September 12, 2022
Routage des circuits imprimés de systèmes d'alimentations à découpage – courant élevé

Les concepteurs de systèmes d'alimentation comprennent les détails techniques complexes et les exigences fonctionnelles du routage d'un circuit imprimé d'alimentation à découpage.

La disposition du PCB détermine la susceptibilité aux interférences électromagnétiques (EMI), le comportement thermique, l'intégrité de l'alimentation et la sécurité.

Une bonne disposition vous assure un haut rendement dans la conversion et la transmission de la puissance à la charge tout en permettant de transporter la chaleur loin des composants chauds et garantit un faible couplage de bruit autour du système électronique.

La sécurité est également un facteur important dans les régulateurs de commutation, qui peuvent transmettre un courant élevé à une sortie, créant ainsi un risque pour la sécurité.

De mauvais choix de disposition introduisent des problèmes qui surviennent à des courants élevés et deviennent évidents lorsqu'il y a d'importantes différences entre les tensions d'entrée et de sortie.

Parmi les problèmes d'alimentation couramment rencontrés lorsque le schéma de montage a été mal réalisé, nous pouvons citer la perte de régulation à un courant de sortie élevé, un bruit excessif au niveau des formes d'onde de sortie et de commutation, ainsi que l'instabilité des circuits.

En s'appuyant sur des outils de simulation de l'intégrité de l'alimentation CC et des fonctionnalités de simulation et d'analyse de circuits, ainsi que sur le meilleur ensemble d'outils de routage et d'agencement, les concepteurs peuvent s'assurer que leur dispositif sera sûr et fiable.

Altium Designer propose un logiciel de disposition de circuits imprimés de système d'alimentation et d'autres outils permettant d'éviter ces problèmes.

Altium Designer

Un logiciel de conception de circuits imprimés qui vous aide à suivre les règles pour la conception des circuits imprimés de systèmes d'alimentation à découpage.

Les systèmes d'alimentation présentent toute une série de défis et il faut s'appuyer sur un ensemble complet de fonctions de conception et d'analyse pour garantir leur bon fonctionnement.

Leurs conceptions peuvent également créer des risques pour la sécurité des utilisateurs qui peuvent être blessés suite à une exposition à une tension élevée ou par une décharge soudaine de courant. Comment les concepteurs peuvent-ils s'assurer que les systèmes d'alimentation qu'ils créent soient sûrs, précis et fiables ?

Les systèmes d'alimentation à découpage sont couramment utilisés pour effectuer la conversion entre un courant alternatif redressé à haute intensité et une haute tension en utilisant un élément d'alimentation à découpage dans un circuit réactif.

Ces composants sont non linéaires et utilisent souvent un feedback pour maintenir la régulation, contrairement au traditionnel régulateur à faible chute de tension (LDO). Dans un régulateur LDO, la régulation est maintenue par la saturation d'un amplificateur d'erreur, créant des pertes résistives qui sont perçues comme de la chaleur dans le schéma de montage.

Bien que les régulateurs de commutation soient préférables du point de vue de la régulation et de l'efficacité, ils peuvent être difficiles à mettre en place, car ils impliquent davantage de composants, qui présenteront parfois des parasites plus importants et peuvent s'accompagner de problèmes de bruit s'ils ne sont pas correctement agencés.

Pour commencer votre prochaine conception de système d'alimentation, suivez ces règles de conception de circuit imprimé de système d'alimentation à découpage afin de vous assurer que votre conception est fiable.

Commencer votre PCB d'alimentation à découpage

Il existe quelques règles de base pour la disposition des circuits imprimés de systèmes d'alimentation à découpage (SMPS) qui vous aideront à vous assurer que votre conception présente de faibles problèmes de bruit, peu de rayonnement d'interférences électromagnétiques et ne chauffe pas.

De manière générale, ces règles peuvent être résumées comme suit :

  • Essayez de réduire les interférences électromagnétiques en définissant correctement la masse, en utilisant des pistes courtes dans le schéma de montage et en organisant le circuit imprimé en sections bénéficiant d'isolation galvanique de sorte qu'il n'y ait pas de couplage de bruit.
  • Le cas échéant, utilisez des circuits de filtrage EMI d'entrée et de sortie appropriés s'il y a du bruit dans la conception, si des fonctions comme le suivi d'enveloppe sont nécessaires ou si des sources de bruit spécifiques causent des problèmes dans la conception.
  • Utilisez une grande quantité de cuivre pour créer un chemin de dissipation thermique loin des composants importants. Si nécessaire, vous pouvez recourir à une conception à boîtier unique, ainsi qu'à des dissipateurs thermiques ou des ventilateurs sur les composants chauds.
  • Placez des circuits à commutation rapide et courant élevé comme des ensembles de MOSFET afin qu'il n'y ait pas d'oscillations parasites dans la conception pendant les événements de commutation.

Des organismes de réglementation tels que Underwriter Laboratories et l'IEC testent les systèmes d'alimentation pour contrôler les interférences électromagnétiques (EMI) émises et conduites, la stabilité, l'efficacité et la durée de vie.

Les réglementations FCC et CE fixent également des limites aux émissions des systèmes d'alimentation à découpage, car ces dispositifs peuvent être des éléments rayonnants non intentionnels.

Altium Designer vous fournit les outils d'analyse de circuit dont vous avez besoin pour en savoir plus sur le comportement électrique de votre dispositif, et ses outils de conception de circuits imprimés peuvent vous aider à créer une conception conforme aux exigences mentionnées ci-dessus tout en tenant compte de vos spécifications électriques simulées.

Soyez prudent lorsque vous définissez la masse

La première règle de conception des circuits imprimés de systèmes d'alimentation à découpage à prendre en compte est la façon de définir la masse dans la disposition.

Lorsque vous concevez le circuit de votre alimentation à découpage, n'oubliez pas qu'il existe cinq points de masse. Ceux-ci peuvent être séparés en différents conducteurs pour assurer une isolation galvanique.

Ces points sont les suivants :

  • Masse de la source du courant d'entrée à haute intensité
  • Boucle de masse du courant d'entrée à haute intensité
  • Masse du redresseur du courant de sortie à haute intensité
  • Masse de charge du courant de sortie à haute intensité
  • Contrôle de la mise à terre à bas niveau

Chacune de ces connexions à la masse peut exister dans des conducteurs physiquement séparés, selon la nécessité d'isolement galvanique du circuit de conversion, de redressement ou de régulation.

Votre circuit d'alimentation peut tolérer un bruit de mode commun si les masses sont couplées de manière capacitive, comme cela peut se produire avec un boîtier conducteur situé à proximité. Les zones de masse d'un circuit imprimé doivent être clairement définies de chaque côté des composants isolants.

Si, pour une raison ou une autre, les masses doivent être pontées pour éliminer un décalage en courant continu, un condensateur de type Y est la meilleure option, car il assure un filtrage haute fréquence et élimine le décalage en courant continu entre les zones de masse.

Routage des circuits imprimés de systèmes d'alimentations à découpage – mise à la masse et isolation
Un condensateur de classe Y peut être utilisé pour ponter les masses dans certaines applications utilisant des convertisseurs à découpage.

Chaque masse à courant élevé sert de branche de boucle de courant, mais elle doit être agencée de manière à fournir un chemin de retour à faible impédance pour les courants. Cela peut nécessiter que plusieurs vias reviennent au plan de masse pour admettre un courant élevé avec une faible inductance équivalente.

Ces points et le potentiel auquel ils se situent par rapport à la masse du système deviennent le point de mesure des signaux CC et CA qui circulent entre les différents points du circuit.

Comme il est nécessaire d'empêcher le bruit des masses de courant alternatif élevé de s'échapper, la borne négative du condensateur de filtrage approprié sert de point de connexion des masses à courant élevé.

Le mieux pour définir les zones de masse est d'utiliser des plans ou des polygones de grande taille. Ces zones offrent des chemins à faible impédance pour dissiper le bruit loin de la sortie CC et elles peuvent gérer les courants de retour élevés. Elles fournissent également un chemin permettant de transporter la chaleur loin des composants importants lorsque cela est nécessaire.

Le fait de placer un plan de masse des deux côtés permet d'absorber les EMI rayonnées, de réduire le bruit et de diminuer les erreurs de boucle de masse.

Tout en fonctionnant comme des blindages électrostatiques et en dissipant les EMI rayonnées dans les courants de Foucault, les plans de masse séparent également les pistes d'alimentation et les composants du plan d'alimentation des composants du plan de signal.

Les outils de CAO d'Altium Designer facilitent la définition des masses dans votre schéma de montage et le placement des grands conducteurs à utiliser comme zones de masse dans votre circuit.

En particulier lorsque vous travaillez avec des alimentations à découpage, vous pouvez utiliser un plan de masse sur les deux côtés du circuit imprimé et les relier par des vias pour assurer un potentiel constant dans vos masses.

Impédance du plan d'alimentation
Les plans d'alimentation et de masse fournissent des connexions à faible impédance tout en offrant un chemin pour dissiper la chaleur et protéger les parties importantes du système.

L'éditeur de schémas facilite le disposition

La mise à la masse est un point important pour commencer la conception, car elle déterminera l'immunité au bruit et la "routabilité" du circuit imprimé.

Cependant, ce n'est pas le seul élément à prendre en compte lors de la conception d'un système d'alimentation.

Les systèmes d'alimentation intègrent un découpage et une suppression des interférences électromagnétiques qui doivent être clairement définis dans le circuit imprimé.

Où placer les connexions à la masse ?

La capacité du contrôleur du système d'alimentation à découpage à réguler précisément la tension de sortie dépend de la connexion à la masse de contrôle de bas niveau.

Lorsque vous travaillez sur des circuits intégrés, des condensateurs d'entrée, des condensateurs de sortie et des diodes de sortie, assurez-vous que les composants soient reliés à un plan de masse.

La connexion à la masse est reliée à un point où le circuit intégré de commande et ses circuits associés mesurent le courant alternatif, le courant continu, la tension de sortie et d'autres paramètres importants.

La connexion de la masse de bas niveau au côté inférieur de la résistance de détection de courant ou du diviseur de tension de sortie empêche le circuit de commande de détecter le bruit de mode commun.

Conception de l'action de commutation

Une alimentation à découpage fonctionne en faisant rapidement basculer les unités de passage entre l'état de fonctionnement limite et l'état de fonctionnement de saturation et en fournissant une alimentation constante à une charge de sortie.

Au seuil limite, il y a une tension élevée aux bornes de l'unité de passage mais aucun courant ne circule. À la saturation, un courant élevé circule à travers l'unité de passage avec une très faible chute de tension.

Comme l'interrupteur à semi-conducteurs crée une tension CA à partir de la tension d'entrée CC, l'alimentation à découpage peut faire augmenter ou réduire la tension à l'aide de transformateurs, puis filtrer à nouveau la tension pour donner un courant continu à la sortie.

Les alimentations à découpage à modulation de largeur d'impulsion (MLI) fonctionnent soit en mode direct, soit en mode Boost.

Les alimentations en mode direct ont à leur sortie un filtre L-C qui crée une tension de sortie continue à partir de la moyenne volt-temps de la sortie obtenue du filtre. Pour contrôler la moyenne volt-temps du signal, le contrôleur de l'alimentation à découpage modifie le rapport cyclique de la tension rectangulaire d'entrée.

Convertisseur Buck vs convertisseur Boost

Les alimentations en mode convertisseur Boost connectent un inducteur directement à la source de la tension d'entrée lorsque l'interrupteur d'alimentation est en position activé. Le courant de l'inducteur augmente à partir de zéro et atteint son pic lorsque l'interrupteur d'alimentation est en position désactivé.

Un redresseur de sortie bloque la tension de sortie de l'inducteur et empêche la tension de dépasser la tension de sortie de l'alimentation. Lorsque l'énergie stockée dans le noyau de l'inducteur passe dans le condensateur de sortie, la borne commutée de l'inducteur retombe au niveau de la tension d'entrée.

Quant aux alimentations en mode convertisseur Buck, elles utilisent les mêmes composants, mais dans une topologie différente pour limiter la force contre-électromotrice de l'inducteur à un niveau inférieur à la tension d'entrée. La commutation produit le même effet que dans un convertisseur Boost, dans lequel le courant de sortie oscille en concurrence avec un condensateur de charge/décharge, ce qui permet de réguler la puissance de sortie.

Ces deux types de topologies de régulateur/convertisseur permettent au bruit de commutation de se propager aux ports de sortie de la conception, ce qui se traduit par une ondulation à haute fréquence au niveau de la sortie.

régulateur du convertisseur de tension
Les dispositions des convertisseurs Buck et Boost peuvent transporter un courant élevé qui nécessite de gros polygones pour contenir la chaleur et éviter la perte d'énergie.

Le routage de l'alimentation permet de garantir un fonctionnement silencieux

Les alimentations à découpage produisent un bruit haute fréquence jusqu'à ce que la fréquence du bruit atteigne environ 100 fois la fréquence de commutation. Ensuite, la fréquence du bruit chute à un taux de -20 à -40 dB par dizaine.

Comme les régulateurs de commutation fonctionnent avec des états d'alimentation « activé » et « désactivé », de grandes impulsions de courant avec des arêtes vives circulent dans le circuit d'alimentation à découpage et, par conséquent, créent des EMI.

La transition entre les états d'alimentation ACTIVÉE et DÉSACTIVÉE crée des EMI, qui peuvent être induites ailleurs dans votre système si les boucles de courant dans le routage de l'alimentation sont trop grandes.

Les circuits des alimentations à découpage se composent d'une boucle de commutation d'alimentation et de boucles de redressement de sortie, et ces dernières doivent être correctement agencées pour éviter un bruit excessif.

Lors de la mise en place de l'alimentation, il convient de prêter une attention toute particulière à la circonférence des boucles ainsi qu'à la longueur et à la largeur des pistes.

Le fait de réduire la circonférence de la boucle permet d'éviter que celle-ci ne fonctionne comme une antenne de bruit basse fréquence.

Du point de vue de l'efficacité du circuit, des pistes plus larges fournissent également une dissipation de chaleur supplémentaire aux interrupteurs d'alimentation et aux rectificateurs.

Vous pouvez utiliser le moteur de routage de la route active pour obtenir des résultats de routage humains et disposer vos composants de manière à permettre aux boucles de courant de commutation de conduire le courant dans la même direction.

Lorsque les boucles conduisent le courant dans la même direction, les circuits de contrôle se couplent à des endroits spécifiques de la disposition. Par conséquent, le champ magnétique ne peut pas s'inverser le long des pistes situées entre les deux demi-cycles et générer des EMI rayonnées.

Routage des circuits imprimés de systèmes d'alimentations à découpage
Les composants de ce schéma de montage sont maintenus proches les uns des autres et routés au moyen de pistes courtes et directes.

Conseils sur la disposition du circuit imprimé pour les nœuds de tension CA des alimentations à découpage

Selon la configuration de l'alimentation à découpage, les nœuds de tension CA se trouvent au niveau du drain du MOSFET d'alimentation ou du collecteur d'un BJT et des anodes des redresseurs de sortie.

Il peut y avoir des tensions CA élevées à chacun de ces nœuds. Par exemple, la tension CA crête à crête relevée au niveau du drain du MOSFET peut être équivalente à une à deux fois la tension d'entrée. Le drain étant boulonné à un dissipateur thermique à travers un isolant, le dissipateur thermique mis à la masse fournit un chemin au bruit créé par couplage capacitif.

Vous pouvez utiliser les outils pour la disposition des circuits imprimés d'Altium Designer afin de placer les signaux sensibles du même côté plutôt que sous un nœud de courant alternatif générant du bruit. De plus, vous pouvez hachurer tous les plans de masse situés sous le nœud pour éliminer le bruit.

Les environnements avec montage en surface présentent des valeurs de capacitance plus faibles, mais peuvent coupler du bruit dans les signaux sensibles.

En raison de ces facteurs, votre disposition doit également tenir compte qu'il peut y avoir un couplage capacitif des tensions de nœud CA dans les dissipateurs thermiques ou les plans de masse adjacents.

Lors de la conception d'un circuit imprimé à montage en surface, prévoyez des nœuds suffisamment grands pour servir de dissipateurs thermiques pour l'interrupteur ou le redresseur. Certaines conceptions multicouches augmentent la masse thermique de la conception en rendant toutes les couches se trouvant au-dessous du nœud CA identiques à celui-ci et en connectant les couches au moyen de trous métallisés.

Altium Designer vous offre un ensemble complet d'outils de disposition et de conception de PCB

L'ensemble complet de fonctionnalités de conception et de schéma de montage de circuits imprimés d'Altium Designer vous offre les outils dont vous avez besoin pour créer des systèmes d'alimentation fiables et sûrs.

Vous pouvez également créer et simuler des topologies de circuits d'alimentation et des filtres EMI importants qui peuvent être utilisés pour n'importe quelle application, des systèmes CC haute puissance aux systèmes CA haute fréquence.

Avec le plug-in PDN Analyzer pour Altium Designer, vous disposez des meilleures ressources pour analyser le courant et la tension CC de vos circuits.

Concevoir un schéma de montage pour une alimentation à découpage peut sembler intimidant, mais les outils d'Altium Designer décomposent la complexité de l'alimentation en des tâches faciles à comprendre.

Logiciel de conception de circuits imprimés Altium Designer
Créez votre schéma de montage à l'aide des meilleurs outils de CAO pour n'importe quelle application dans Altium Designer.

L'objectif d'Altium a toujours été de fournir aux utilisateurs une expérience de conception simplifiée grâce à une interface unifiée.

L'éditeur de schémas et de circuits imprimés, le logiciel de simulation SPICE, les fonctions de routage et les outils de simulation d'Altium Designer vous offrent tout ce dont vous avez besoin pour concevoir des alimentations sûres, fiables et sans bruit.

Lorsque vous avez besoin d'un ensemble complet d'outils de création et de gestion des composants, utilisez les meilleurs logiciels de CAO électronique du secteur pour créer et simuler vos conceptions.

En permettant aux concepteurs de travailler de chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent, la solution Altium Designer disponible sur Altium 365 offre à l'industrie électronique un degré d'intégration inégalé qui était jusqu'à présent réservé au secteur informatique.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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