Linee guida per il layout di PCB per alimentatori e regolatori switching

Le alimentazioni e i regolatori possono assumere tutte le forme e dimensioni. Sebbene siano normalmente discussi come prodotti diversi, sono elettricamente equivalenti, in particolare i regolatori a commutazione. Da una prospettiva di sistema ad alto livello, la sezione del regolatore a commutazione in un'alimentazione e il circuito del regolatore vero e proprio svolgono le stesse funzioni all'interno dello stesso diagramma a blocchi.

Per un'alimentazione, si tratta semplicemente di una questione di scala e di come il regolatore si integra con altri blocchi di conversione di potenza nel sistema. La sezione del regolatore a commutazione in un'alimentazione e il circuito del regolatore a commutazione su un PCB devono essere progettati seguendo le stesse linee guida generali per garantire un funzionamento a basso rumore.

Nelle sezioni seguenti, mi concentrerò brevemente su come le alimentazioni e i regolatori siano diversi, anche se questo dovrebbe essere già chiaro alla maggior parte dei progettisti. Un'alimentazione includerà (o dovrebbe includere) un regolatore di potenza, ma un regolatore può essere un circuito autonomo che non fa parte di ciò che potremmo definire un'alimentazione. Per un'alimentazione e per un PCB con un regolatore integrato, la disposizione del regolatore a commutazione sarà un determinante importante delle prestazioni complessive del sistema. Pertanto, esamineremo principalmente alcune linee guida di progettazione per le alimentazioni a commutazione in termini di disposizione del regolatore.

Linee Guida di Progettazione per Alimentazioni a Commutazione

Prima di esaminare la sezione del regolatore di un'alimentazione a commutazione, dobbiamo prima osservare un diagramma a blocchi ad alto livello dell'intero sistema. Se stai progettando un'unità di alimentazione, allora l'intera unità avrà la topologia mostrata di seguito. Questo è particolarmente importante per un'alimentazione che riceve corrente alternata da una presa a muro.

Il diagramma a blocchi sopra potrebbe essere implementato su più schede, anche se è comune mettere tutto su una singola scheda per lasciare spazio a grandi trasformatori, dissipatori di calore, ventole e supporti meccanici, soprattutto per alimentazioni ad alta tensione/corrente. Se stai progettando un piccolo regolatore per una scheda che si collega a un'unità di alimentazione, allora lavorerai comunque all'interno della topologia sopra, avrai semplicemente un collegamento a terra tra il regolatore di uscita e il tuo nuovo regolatore. Ancora una volta, ciò è comune per alimentazioni ad alta corrente.

Ci sono altri punti da discutere nel diagramma sopra:

Isolamento Galvanico

Nel diagramma a blocchi sopra, abbiamo tre regioni di terra separate collegate tra loro tramite condensatori. Non seguire ciecamente questa linea guida con condensatori: non esiste una tecnica di messa a terra PCB universale che affronti ogni sorgente di rumore e dovresti fare attenzione all'uso sopra dei condensatori. Questo è mostrato per illustrare un metodo per garantire un potenziale di terra costante in tutte le regioni di terra; questo è uno dei metodi consigliati per la messa a terra nei sistemi Ethernet industriali. L'idea qui è di bloccare qualsiasi potenziale CC che possa svilupparsi tra due sezioni di terra.

Il pericolo qui è la creazione di anelli di terra e rumore in modalità comune, che devono quindi essere filtrati. Collegare le masse in questo modo è fondamentalmente ciò che si fa quando si ha uno chassis metallico, mentre gli involucri in plastica lasciano le masse isolate. Questo diventa complicato e richiede un'attenta progettazione dei circuiti e disposizione del PCB per superare tutti i test EMC.

Stadio di Uscita

L'isolamento galvanico nello stadio di uscita non è obbligatorio; dipende dalla topologia del regolatore DC (vedi il convertitore flyback per un buon esempio). È anche comune inserire un circuito filtro EMI condotto o un'induttanza in modalità comune sull'uscita per sopprimere le correnti in modalità comune che raggiungono i circuiti di carico. Oltre a questi punti, lo stadio del regolatore di uscita sarà progettato utilizzando le migliori pratiche per la particolare topologia del regolatore. Tratterò queste idee generali di progettazione del regolatore qui di seguito.

Lo stadio di uscita dell'unità di alimentazione potrebbe non essere il regolatore finale nel sistema. Potrebbe invece alimentare un altro regolatore o una serie di regolatori, ciascuno dei quali fornirà una tensione stabilita a una determinata corrente massima per un gruppo di componenti. Ancora una volta, questo potrebbe essere fatto su una singola scheda o su più schede (una per l'alimentazione, un'altra per gli stadi del regolatore):

L'albero di potenza sopra mostra regolatori in parallelo (collegati a margherita), ma potrebbero anche essere collegati in cascata in una topologia ad albero. Questo mappare la corrente nel tuo PDN è molto utile, poiché ti aiuta a tracciare rapidamente quanta corrente ciascuno stadio regolatore a valle contribuirà alla corrente totale nel PDN. La corrente totale e le correnti individuali determineranno quindi la dimensione dei binari di potenza o del piano di potenza necessario per trasportare sufficiente corrente a ciascuna sezione del sistema.

Progettazione di Ogni Blocco Circuitale

Ora che possiamo vedere l'architettura generale del sistema, possiamo avere un'idea di come progettare ogni blocco circuitale in un'alimentazione a commutazione e l'intero sistema per garantire basse EMI e sicurezza. Pensa all'intero diagramma a blocchi quando crei il layout del PCB:

• Progettazione a sezioni: Come per altre schede con più blocchi funzionali, prova a progettare la scheda di alimentazione in sezioni. Va bene farlo in modo lineare procedendo dall'ingresso all'uscita nel diagramma a blocchi.
• Progetta con feedback: A volte, come nei regolatori di precisione ad alta corrente, avrai un feedback tra le sezioni. Usa optocoppie per collegare i gap di terra tra ciascuna sezione.
• Segui i percorsi di ritorno di terra: Se c'è una linea guida universale nella progettazione di PCB, probabilmente è "segui il tuo percorso di ritorno di terra." Per le alimentazioni, questo è fondamentale per identificare i punti in cui si possono sviluppare correnti in modalità comune e per garantire basse induttanze nei loop in ciascuna sezione di alimentazione.
• Fai attenzione ai binari di alta corrente e alta tensione: Progettare per alta tensione e alta corrente a volte si intrecciano. La differenza di potenziale massima tra due conduttori determinerà il loro spaziamento minimo (vedi IPC-2221), e la corrente trasportata da un conduttore determinerà la sua larghezza necessaria per garantire bassa temperatura (vedi IPC-2152 per strati interni o esterni).

Durante la progettazione della rete di distribuzione della potenza (PDN), dovresti anche considerare come ogni sezione sarà messa a terra e come le masse potrebbero essere collegate insieme per fornire un riferimento di potenziale coerente. Questo è molto importante per prevenire le EMI, come accennato sopra. Questa fase dovrebbe essere completata prima di iniziare la progettazione del layout del PCB.

Suggerimenti per il Layout dei Regolatori a Commutazione per Alimentatori

Una volta selezionati i componenti per il regolatore, creati gli schemi e progettata una strategia di distribuzione/messa a terra, puoi iniziare a pensare al layout del PCB. Il layout del PCB per un regolatore di potenza a commutazione riguarda principalmente compromessi: devi bilanciare le dimensioni dei conduttori con i requisiti di spaziatura, mantenendo il tutto compatto.

Abbiamo pubblicato diverse guide in questo blog su come progettare il layout di topologie specifiche di regolatori. Invece di esaminare tutte queste possibilità, l'elenco seguente mostra alcune linee guida generali che si applicano al tuo sistema.

1. Implementa sempre le regole minime di spaziatura e larghezza delle tracce per il tuo sistema.
2. Mantieni le linee di feedback per il rilevamento della tensione/corrente brevi e con il percorso più diretto possibile.
3. Dovrai probabilmente raggruppare alcuni componenti di controllo e rilevamento intorno ai tuoi IC di driver e controller, quindi assicurati di realizzare connessioni brevi tra di essi; è accettabile raggruppare questi componenti in un'area compatta (vedi sotto).
4. Considera l'uso di rame spesso o anche di un PCB con nucleo metallico se stai progettando per correnti elevate.
5. Non temere di utilizzare poligoni come piazzole di montaggio per componenti o connettori. Fai attenzione a collegarli direttamente a un piano, poiché potresti avere bisogno di thermal relief.
6. Anche se i regolatori possono avere un'efficienza molto elevata, possono comunque surriscaldarsi. Assicurati di lasciare spazio nel layout per eventuali dissipatori di calore sui circuiti integrati. Un'altra opzione è utilizzare un materiale di interfaccia termica.

Le linee guida specifiche per il layout del tuo regolatore a commutazione dipenderanno dalla topologia, dal numero di componenti, dalla presenza di feedback e dalla strategia di messa a terra. Spero che tu abbia già pensato alla messa a terra per prevenire le EMI e fornire qualsiasi isolamento richiesto prima di iniziare a progettare il layout del PCB. Per vedere alcune linee guida più specifiche per il tuo regolatore, dai un'occhiata a queste altre risorse:

• Come progettare un regolatore di tensione step-up
• Alimentatori isolati vs non isolati: la scelta giusta senza errori
• Progettazione del convertitore risonante LLC e layout PCB
• Regolatore di tensione a bassa rumorosità e bassa EMI

Cosa non abbiamo trattato?

Ovviamente, ci sono molti aspetti da considerare nell'elenco delle linee guida per il layout degli alimentatori a commutazione e dei circuiti regolatori. Quindi cosa manca? Ci sono alcuni aspetti critici della regolazione e della distribuzione della potenza che non sono presenti nella discussione sopra:

• Impedanza della PDN: Se non stai progettando con componenti ad alta velocità/alta frequenza, probabilmente non dovrai preoccuparti dell'impedenza della PDN. Assicurati semplicemente di utilizzare binari di potenza spessi e abbondante terreno. Se stai progettando per alta velocità/alta frequenza, l'impedenza bassa della PDN è molto importante per sopprimere il ripple, il che di solito si ottiene con numerosi condensatori di decoupling e alta capacità interplane.
• EMI dell'alimentatore: Ne ho accennato sopra. Ogni volta che crei un layout PCB, dovresti pensare a garantire una bassa EMI, ma c'è molto di più da fare per sopprimere l'EMI e superare i test EMC oltre al percorso di bassa induttanza del loop. Discuterò di questi punti in un articolo dedicato all'EMI dell'alimentatore.
• Potenza analogica: Qui, stiamo guardando ai convertitori a commutazione come normalmente discussi nel contesto dei circuiti integrati digitali. E i componenti analogici? Le loro necessità di potenza possono essere molto diverse. I circuiti integrati digitali che generano un segnale analogico/RF lo fanno normalmente internamente. Tuttavia, esistono LDO specializzati (ad esempio, NCP161BMX280TBG) o regolatori a commutazione (ad esempio, LTC3388IMSE-1).

Ci sono anche questioni legate alla selezione dei componenti, come la scelta dell'induttore per garantire una bassa EMI e il accoppiamento del rumore in modalità comune, oltre a garantire una bassa corrente di ripple. L'ultimo punto dell'elenco sopra è anche piuttosto importante perché i circuiti puramente analogici non avranno lo stesso stile di layout di un regolatore di potenza o di un alimentatore incorporato per sistemi digitali. Una volta che lavori a frequenze estremamente alte, i problemi di alimentazione RF diventano più difficili da gestire a causa della capacità parassita, simile a quella che si vede nei circuiti amplificatori instabili. Questo è un altro argomento che mi piace molto, ma lo lascerò per un altro post.

Con i migliori strumenti di progettazione PCB in Altium Designer®, puoi implementare le linee guida per il layout degli alimentatori a commutazione che ho delineato qui. Avrai anche gli strumenti necessari per trovare IC regolatori, componenti per circuiti regolatori più grandi e altri componenti per il tuo sistema. Per calcoli più avanzati relativi a EMI condotti o radiati, gli utenti di Altium Designer possono usare l'estensione EDB Exporter per importare il progetto nei solutori di campo Ansys. Questa coppia di applicazioni di solutori di campo e progettazione ti aiuta a verificare il tuo layout prima di iniziare una fase di prototipazione.

Quando avrai finito il tuo design e vorrai rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti. Abbiamo appena accennato a quello che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi consultare la pagina del prodotto per una descrizione più approfondita delle funzionalità o uno degli webinar on-demand.