Disposizione del PCB di SMPS ad Alta Tensione per Ridurre Calore e Rumore

Sia che si stia eseguendo una conversione AC-DC o DC-DC, i layout di alimentatori switching sono comuni nel design ad alta tensione e devono essere costruiti con attenzione. Sebbene questo sistema sia piuttosto comune, facilmente irradierà EMI a causa dei rapidi cambiamenti di tensione e corrente durante la commutazione. I progettisti possono raramente adattare progetti esistenti a nuovi sistemi poiché un piccolo cambiamento in un'area può creare un problema di EMI difficile da diagnosticare.

Con le scelte di layout e di routing giuste, è possibile prevenire che il rumore diventi un problema significativo sull'uscita dal vostro SMPS. I convertitori a bassa tensione possono essere acquistati come IC con diversi fattori di forma, ma i convertitori ad alta tensione dovranno essere prodotti da componenti discreti su una scheda dedicata. Ecco alcuni importanti consigli sul layout PCB di SMPS per aiutarvi a mantenere i componenti freschi e prevenire problemi di rumore nel vostro sistema.

Problemi di Rumore e Calore nel Vostro Layout PCB di SMPS

Non c'è modo di evitarlo: qualsiasi SMPS produrrà rumore a frequenza moderatamente alta a causa dell'azione di commutazione del driver del transistor. In effetti, si sta scambiando il ripple a bassa frequenza (ad es., da un raddrizzatore a onda completa durante la conversione AC-DC) in rumore di commutazione ad alta frequenza. Sebbene questa conversione produca un'uscita DC più stabile, rimane comunque la questione di due importanti fonti di rumore:

• Rumore di commutazione diretto dall'elemento di commutazione.
• Rumore transitorio altrove nel sistema.

Il rumore può apparire sull'uscita da un'unità SMPS come rumore condotto e come rumore irradiato. Sebbene la causa di ciascun problema possa essere complicata da diagnosticare, può essere facile distinguere tra i due tipi di rumore. Un'altra sfida nella progettazione di PCB per SMPS è il calore generato nella scheda. Sebbene ciò possa essere influenzato scegliendo la giusta frequenza PWM, ciclo di lavoro e tempo di salita, dovrai comunque utilizzare le giuste strategie di gestione termica nella tua scheda. Tenendo a mente queste due sfide, vediamo alcuni dei punti più importanti da considerare nel layout del tuo PCB SMPS.

Gestione Termica

Un SMPS ideale non dissiperebbe alcuna potenza, anche se ciò non accade nella realtà. Il tuo transistor di commutazione (e trasformatore di ingresso per la conversione AC-DC) dissiperanno la maggior parte della potenza sotto forma di calore. Anche se l'efficienza può superare il 90% nelle topologie di alimentazione a commutazione, i MOSFET di potenza possono comunque dissipare un calore significativo durante la commutazione. La pratica comune qui è posizionare dissipatori di calore sui componenti di commutazione critici; assicurati di collegarli al tuo piano di massa per prevenire una nuova fonte di EMI.

In alimentatori ad alta tensione/corrente, questi dissipatori di calore possono essere piuttosto grandi. Puoi dare al tuo sistema una spinta extra di raffreddamento montando una ventola sul contenitore. Anche in questo caso, assicurati di seguire le pratiche migliori per alimentare questa ventola per prevenire nuovi problemi di EMI.

Alcuni consigli per il layout di PCB SMPS

Il tuo Stackup di PCB

Il tuo layout aiuterà in qualche modo con la gestione termica, ma è un determinante maggiore della suscettibilità EMI. Il rumore condotto è normalmente gestito utilizzando circuiti di filtro EMI sui circuiti di ingresso e uscita. Come molti problemi di EMI nei sistemi ad alta velocità/alta frequenza, il tuo stackup sarà il principale determinante dell'immunità all'EMI radiato.

Le frequenze rilevanti a cui l'SMPS funzionerà vanno da ~10 kHz a ~1 MHz, quindi l'EMI radiato indurrà rumore per induzione. Pertanto, vuoi posizionare il piano di massa nel tuo stackup direttamente sotto lo strato superficiale con tutti i tuoi componenti di potenza. Questo garantirà una bassa induttanza di loop per i circuiti sullo strato superficiale. Qualsiasi segnale di rumore indotto che si propaga all'uscita sarà tipicamente rimosso attraverso la filtrazione all'uscita.

Ci sono alcune obiezioni nel posizionare il piano di massa sotto o vicino a bobine (induttore, trasformatore o strozzatore di modo comune) nel layout del tuo PCB. Il motivo è che la capacità di avvolgimento in una bobina può accoppiare corrente da un piano di massa di nuovo nella bobina, creando rumore di modo comune che è una fonte di EMI. È molto importante tracciare i percorsi di ritorno nel tuo layout per prevenire l'accoppiamento del rumore di modo comune, un compito che è facilitato dall'uso di un adeguato strumento di risoluzione dei campi.

Transitori ad Anello

I transitori sono un problema più difficile da risolvere in quanto sono legati al tuo stackup, al routing, alla presenza di vie e all'insufficiente decoupling/eccessiva impedenza. Come nel caso del design ad alta velocità, non instradare rame che trasporta un segnale di commutazione sopra un interruzione nel piano di massa, poiché ciò creerà una sorta di struttura antenna che può irradiare fortemente ai transitori. Questi transitori tendono ad essere ad alta frequenza (da decine a centinaia di MHz).

Il problema con i transitori ad anello è un problema di gestione dell'impedenza. Un'alta impedenza porta a forti oscillazioni di tensione. I componenti dovrebbero essere posizionati con i giusti schemi di contatto per minimizzare l'impedenza nel PDN della scheda. Di seguito sono mostrati esempi di buoni e cattivi contatti per i tuoi componenti.

Infine, è meglio non lasciare isole isolate nel tuo layout. Collega eventuali isole di alimentazione che potrebbero contenere circuiti di controllo o componenti passivi al piano di massa con condensatori di disaccoppiamento. Fai attenzione alla posizione di eventuali vie in queste situazioni, poiché non vuoi creare una tacca o uno slot non intenzionati nel tuo piano di massa.

Ulteriori informazioni sulla progettazione di SMPS ad alta tensione

Se sei interessato a un circuito driver a tensione moderata per alimentare LED ad alta intensità, dai un'occhiata a questo articolo di Mark Harris. C'è anche la questione di determinare la migliore frequenza di commutazione da utilizzare nel tuo SMPS. Questo può essere un problema di ottimizzazione difficile da risolvere, ma puoi avvicinarti molto di più se comprendi il comportamento di commutazione del tuo MOSFET quando viene pilotato con un segnale PWM. Ho discusso questo punto in un articolo recente. Infine, dai un'occhiata ai nostri consigli su come progettare schede ad alta tensione (incluso uno SMPS) secondo gli standard IPC.

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