Linee guida per il layout PCB di alimentatori a commutazione

Zachariah Peterson
|  Creato: August 6, 2021  |  Aggiornato: September 19, 2022
Layout PCB di alimentatori a commutazione e ad alta corrente

I progettisti di alimentatori comprendono bene i complessi dettagli tecnici e i requisiti funzionali che il layout PCB degli alimentatori a commutazione richiede. Il layout determina infatti la suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche (EMI), il comportamento termico, l'integrità dell'alimentazione e la sicurezza del dispositivo. Un buon layout garantisce inoltre un'elevata efficienza nella conversione e nella trasmissione di potenza al carico, consentendo al contempo il trasferimento del calore lontano dai componenti più caldi, nonché un basso rumore d'accoppiamento intorno al sistema elettronico. Anche la sicurezza è un fattore importante nei regolatori a commutazione, che potrebbero inviare correnti elevate a un'uscita, creando un rischio per la sicurezza.

Scelte di layout sbagliate danno adito a problematiche che sorgono a correnti elevate e diventano evidenti in presenza di grandi differenze tra le tensioni di ingresso e di uscita. I problemi comuni riscontrati in un layout PCB non corretto includono la perdita di regolazione a correnti di uscita elevate, un rumore eccessivo nell'uscita e nelle forme d'onda di commutazione, così come instabilità del circuito stesso. Con una valida combinazione di strumenti di simulazione dell'integrità dell'alimentazione CC, funzionalità di simulazione e di analisi dei circuiti e il miglior pacchetto di funzionalità di layout e routing, i progettisti possono garantire la sicurezza e l'affidabilità del loro dispositivo. Altium Designer offre un software di progettazione PCB completo che aiuta a scongiurare questi problemi.

Altium Designer

Il software di progettazione PCB che ti aiuta a eseguire il layout PCB degli alimentatori a commutazione.

La progettazione di alimentatori costringe ad affrontare una serie di sfide per cui è necessario un pacchetto completo di funzionalità di progettazione e analisi. Queste progettazioni possono infatti creare pericoli e mettere a repentaglio la sicurezza degli utenti, che rischiano lesioni dovute all'esposizione ad alta tensione o a scariche improvvise di corrente. In che modo i progettisti possono essere certi di costruire alimentatori sicuri, accurati e affidabili?

Gli alimentatori a commutazione sono considerati lo standard di riferimento per convertire l'alimentazione CA raddrizzata ad alta corrente e alta tensione tramite l'uso di un elemento a commutazione all'interno di un circuito reattivo. Questi componenti sono non lineari e spesso utilizzano il feedback per mantenere la regolazione, a differenza dei tipici regolatori LDO. In un LDO, la regolazione è mantenuta attraverso la saturazione di un amplificatore di errore, con conseguenti perdite resistive che si manifestano come calore nel layout PCB.

Sebbene i regolatori a commutazione siano preferibili dal punto di vista della regolazione e dell'efficienza, possono essere difficili da implementare in quanto coinvolgono più componenti, alcuni dei quali presentano elementi passivi di maggiori dimensioni e possono essere soggetti a problemi di rumore se posizionati in modo errato. Per iniziare la progettazione del tuo prossimo alimentatore, segui queste linee guida per il layout PCB degli alimentatori a commutazione per garantire un'elevata affidabilità del tuo dispositivo.

Il layout PCB degli alimentatori a commutazione (SMPS)

Esistono alcune linee guida per il layout PCB degli alimentatori a commutazione; queste possono aiutare a minimizzare i rumore ridotti, le EMI irradiate e il surriscaldamento. In generale, possono essere riassunte come segue:

  • Cerca di ridurre le EMI impostando correttamente la massa, utilizzando tracce brevi nel layout PCB e disponendo il PCB in sezioni galvanicamente isolate in modo che non vi sia accoppiamento del rumore.
  • Se è presente del rumore nel layout, se sono necessarie funzionalità come il tracciamento dell'inviluppo o se alcune fonti di rumore causano problemi nella progettazione, è possibile utilizzare circuiti di filtro EMI di ingresso e uscita appropriati.
  • Usa rame in abbondanza per fornire un percorso per la dissipazione del calore lontano dai componenti critici. Se necessario, puoi ricorrere a un involucro su misura, così come a dissipatori di calore o ventole sui componenti più caldi.
  • Posiziona i circuiti a commutazione rapida e ad alta corrente come array MOSFET in modo che non vi siano oscillazioni parassite nel progetto durante gli eventi di commutazione.

Le agenzie di regolamentazione come Underwriter Laboratories e IEC testano gli alimentatori per le interferenze elettromagnetiche irradiate (EMI), le EMI condotte, la stabilità, l'efficienza e la durata. Le normative FCC e CE stabiliscono anche i limiti di emissioni per gli alimentatori a commutazione dal momento che questi dispositivi possono irradiarle involontariamente. Altium Designer fornisce gli strumenti di analisi dei circuiti necessari per indagare sul comportamento elettrico del tuo dispositivo, mentre i suoi strumenti di progettazione PCB possono aiutarti a creare un layout che soddisfi i requisiti sopra menzionati, tenendo conto delle tue specifiche elettriche simulate.

Presta attenzione durante la definizione della massa

La prima indicazione da prendere in considerazione nel layout PCB di un alimentatore a commutazione è la definizione della massa nel layout. Durante la progettazione del circuito d'alimentazione a commutazione, ricorda che esistono cinque punti di massa che possono essere separati in diversi conduttori per garantire l'isolamento galvanico. Questi sono:

  • Sorgente di massa ad alta corrente all'entrata
  • Loop di massa ad alta corrente all'entrata
  • Raddrizzatore di massa ad alta corrente all'uscita
  • Carico di massa ad alta corrente all'uscita
  • Massa di controllo di basso livello

Ciascuna di queste connessioni di massa potrebbe esistere in conduttori fisicamente separati, a seconda della necessità di isolamento galvanico nel circuito del convertitore, del raddrizzatore o del regolatore. Il circuito di alimentazione può tollerare il rumore di modo comune se le masse sono accoppiate in modo capacitivo, come può verificarsi con un involucro conduttivo posto nelle vicinanze. Le aree di massa di un PCB devono essere chiaramente definite su ciascun lato dei componenti isolanti.

Se, per qualche motivo, è necessario collegare le masse per eliminare un offset CC, un condensatore di tipo Y è l'opzione migliore in quanto fornisce un filtraggio ad alta frequenza ed elimina l'offset CC tra le aree di massa.

Messa a terra e isolamento nel layout PCB degli alimentatori
Un condensatore a Y può essere utilizzato per bypassare la massa in alcune applicazioni di convertitori a commutazione.

Ogni massa ad alta corrente funge da diramazione per i loop di corrente, ma dovrebbe essere progettata in modo da fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza per le correnti. Ciò potrebbe richiedere molteplici fori di ritorno al piano di massa per ammettere corrente elevata con bassa induttanza equivalente. Questi punti e il potenziale in cui si trovano rispetto alla massa del sistema diventano il riferimento per la misurazione dei segnali DC e AC che passano tra i vari punti del circuito. Per evitare che il rumore fuoriesca dalle masse CC ad alta corrente, il terminale negativo del condensatore di filtro appropriato funge da punto di connessione per le masse ad alta corrente.

Il modo migliore per definire le aree di massa è utilizzare piani o poligoni di grandi dimensioni. Queste aree forniscono percorsi a bassa impedenza per dissipare il rumore dall'uscita CC e possono gestire correnti di ritorno elevate. Inoltre, forniscono anche un percorso per la dissipazione del calore lontano dai componenti critici. Posizionare un piano di massa su entrambi i lati può servire ad assorbire le EMI irradiate, a ridurre il rumore e gli errori del loop di massa. Pur funzionando come schermi elettrostatici e dissipando le EMI irradiate in correnti parassite, i piani di massa separano anche le tracce di alimentazione e i componenti del piano di alimentazione dai componenti del piano del segnale. Gli strumenti CAD di Altium Designer semplificano la definizione delle masse nel PCB e il posizionamento di grandi conduttori da utilizzare come aree di massa all'interno del circuito. Soprattutto quando si lavora con alimentatori a commutazione, è possibile utilizzare piani di massa su entrambi i lati del PCB e collegarli con fori di via per garantire un potenziale uniforme tra i piani di massa.

Impedenza del piano di alimentazione
I piani di alimentazione e di massa offrono connessioni a bassa impedenza, fornendo al contempo un percorso per la dissipazione del calore lontano dalle parti cruciali del sistema.

L'editor di schemi aiuta con il layout

La messa a terra è un punto di partenza importante per la progettazione in quanto determina l'immunità ai disturbi e la qualità del routing del layout PCB. Tuttavia, non è l'unico aspetto da tenere in considerazione quando si progetta un alimentatore. L'azione di commutazione e la soppressione delle EMI sono integrate negli alimentatori e devono essere chiaramente definite nel PCB.

Dove creare le connessioni di massa

La capacità del controller SMPS di regolare in modo preciso la tensione in uscita dipende dalla connessione alla massa di controllo inferiore. Quando si lavora su circuiti integrati, condensatori di ingresso, condensatori e diodi di uscita, è importante assicurarsi che i componenti siano collegati a un piano di massa. La connessione di massa è legata a un punto in cui l'IC di controllo e i circuiti associati misurano la corrente CA e CC, la tensione di uscita e altri parametri cruciali. Il collegamento della massa inferiore al lato inferiore del resistore di rilevamento della corrente, o al partitore di tensione di uscita, impedirà al circuito di controllo di rilevare rumore di modo comune.

Progettare l'azione di commutazione

Un alimentatore a commutazione funziona commutando rapidamente le unità di passaggio tra gli stati di interdizione e saturazione e fornendo potenza costante a un carico in uscita. Durante l'interdizione, è presente un'alta tensione attraverso l'unità di passaggio, ma non scorre corrente. Alla saturazione, un'elevata corrente scorre attraverso l'unità di passaggio, con una caduta di tensione molto bassa. Poiché la commutazione del semiconduttore genera una tensione CA dalla tensione di ingresso CC, l'alimentatore a commutazione può aumentare o diminuire la tensione utilizzando dei trasformatori, per poi filtrare la tensione in CC all'uscita.

Gli alimentatori switching a modulazione di larghezza di impulso (PWM) funzionano in modalità diretta o boost. Gli alimentatori in modalità diretta hanno un filtro L-C all'uscita che crea una tensione di uscita CC dalla media volt-tempo dell'uscita ottenuta dal filtro. Per controllare la media volt-tempo del segnale, il controller dell'alimentatore switching modifica il ciclo di lavoro della tensione a onda quadra di ingresso.

Convertitore buck vs convertitore boost

Gli alimentatori in modalità convertitore boost collegano un induttore direttamente alla fonte della tensione di ingresso quando l'interruttore di alimentazione si accende. La corrente dell'induttore sale da zero e raggiunge il suo picco quando l'interruttore di alimentazione è in posizione off. Un raddrizzatore di uscita blocca la tensione di uscita dell'induttore e impedisce che la tensione superi la tensione di uscita dell'alimentazione. Quando l'energia immagazzinata nel nucleo dell'induttore passa al condensatore di uscita, il terminale commutato dell'induttore torna al livello di tensione di ingresso.

Gli alimentatori in modalità convertitore buck utilizzano gli stessi componenti, ma con una topologia diversa per fissare l'EMF posteriore dell'induttore a un livello inferiore rispetto alla tensione di ingresso. L'azione di commutazione produce lo stesso effetto di un convertitore boost, dove la corrente di uscita oscilla in competizione con un condensatore carica/scarica, consentendo così la regolazione della potenza di uscita. Entrambe le topologie con regolatore/convertitore consentiranno al rumore di commutazione di propagarsi verso le porte di uscita, determinando un'ondulazione ad alta frequenza all'uscita.

Regolatore del convertitore di tensione
I layout dei convertitori buck e boost possono trasportare una corrente elevata che richiede poligoni di grandi dimensioni per assorbire il calore ed evitare la perdita di potenza. 

Il routing dell'alimentatore contribuisce a garantire un funzionamento a basso rumore

Gli alimentatori a commutazione conducono il rumore ad alta frequenza fin quando la frequenza del rumore raggiunge circa 100 volte la frequenza di commutazione. Successivamente, la frequenza del rumore diminuirà a una velocità compresa tra i -20 e i -40 dB per decade. Poiché i regolatori a commutazione funzionano con gli stati di alimentazione "on" e "off," all'interno del circuito di alimentazione a commutazione fluiscono ampi impulsi di corrente che generano inevitabilmente EMI. La transizione tra gli stati di alimentazione ON e OFF genera EMI che possono essere indotte in altre parti del sistema se i loop di corrente nel layout di alimentazione sono troppo grandi. I circuiti di alimentazione a commutazione sono costituiti da un loop di commutazione di alimentazione e da loop raddrizzatori di uscita, e questi ultimi devono essere opportunamente sbrogliati per evitare rumori eccessivi.

Durante la progettazione dell'alimentatore, è necessario prestare particolare attenzione alla circonferenza dei loop, nonché alla lunghezza e alla larghezza delle tracce. La riduzione della circonferenza del loop, gli impedisce di agire come un'antenna per il rumore a bassa frequenza. Dal punto di vista dell'efficienza del circuito, tracce più ampie forniscono anche ulteriore dissipazione del calore per interruttori di alimentazione e raddrizzatori. Puoi utilizzare lo strumento di routing attivo per ottenere risultati simili a quelli del routing manuale e disporre i componenti in modo che i loop di corrente di commutazione conducano nella stessa direzione. Con i loop di corrente che conducono nella stessa direzione, il circuito di controllo si accoppierà a punti specifici del layout. Di conseguenza, il campo magnetico non potrà invertirsi lungo le tracce situate tra i due semicicli generando EMI irradiate.

Layout PCB di SMPS
I componenti in questo layout PCB sono mantenuti vicini e sbrogliati con tracce brevi e dirette.

Suggerimenti sul layout PCB per i nodi di tensione CA degli SMPS

A seconda della configurazione dell'SMPS, i nodi di tensione CA si possono trovare allo scarico del MOSFET di potenza o al collettore di un BJT e agli anodi dei raddrizzatori di uscita. Qualunque di questi nodi può presentare tensioni CA elevate. Ad esempio, la tensione CA da picco a picco trovata nello scarico del MOSFET può misurare da una a due volte la tensione di ingresso. Con lo scarico fissato a un dissipatore di calore attraverso un isolante, il dissipatore di calore con messa a terra può fornire un percorso per il rumore accoppiato in modo capacitivo. Puoi utilizzare gli strumenti di layout PCB presenti in Altium Designer per posizionare segnali sensibili sullo stesso lato, anziché sotto un nodo CA rumoroso. Inoltre, puoi eseguire il tratteggio incrociato su qualsiasi piano di massa situato sotto il nodo per eliminarne il rumore.

Gli ambienti a montaggio superficiale hanno valori di capacità inferiori ma possono accoppiare il rumore in segnali sensibili. A causa di questi fattori, il layout deve anche considerare l'eventualità di un accoppiamento capacitivo delle tensioni del nodo CA nei dissipatori di calore adiacenti o nei piani di massa. Quando progetti un PCB a montaggio superficiale, crea nodi sufficientemente grandi da fungere da dissipatori di calore per l'interruttore di alimentazione o il raddrizzatore. Alcune progettazioni multistrato aumentano la massa termica del progetto, rendendo tutti i layer sotto il nodo AC uguali al nodo AC e collegando gli strati con fori placcati.

Altium Designer offre un pacchetto completo di strumenti per la progettazione e il layout PCB

La suite completa di funzionalità di progettazione e layout PCB di Altium Designer ti offre gli strumenti necessari per creare sistemi di alimentazione affidabili e sicuri. È inoltre possibile creare e simulare importanti topologie di circuiti di alimentazione e filtri EMI, che possono essere utilizzati in qualsiasi applicazione, dai sistemi CC ad alta potenza ai sistemi CA ad alta frequenza. Il plug-in PDN Analyzer di Altium Designer fornisce le migliori risorse per l'analisi della corrente e della tensione CC del circuito. Progettare un layout PCB per un alimentatore a commutazione può intimorire, ma Altium Designer fornisce strumenti capaci di suddividere le complessità progettuali in compiti facilmente eseguibili.

Software di layout PCB Altium Designer
Crea il tuo layout PCB con i migliori strumenti CAD per qualsiasi applicazione con Altium Designer.

L'obiettivo di Altium è sempre stato quello di offrire agli utenti un'esperienza di progettazione semplificata all'interno di un ambiente unificato. L'editor di schematici, l'editor PCB, il pacchetto di simulazione SPICE, le funzioni di routing e gli strumenti di simulazione di Altium Designer ti offrono tutto il necessario per costruire alimentatori sicuri, affidabili e privi di rumore. Quando hai bisogno di un pacchetto completo di strumenti per la creazione e la gestione dei componenti, utilizza le migliori funzionalità ECAD del settore per creare e simulare le tue progettazioni.

La collaborazione fra Altium Designer e Altium 365 offre un valore d'integrazione senza precedenti nel settore dell'elettronica, finora relegato solamente al mondo dello sviluppo dei software, consentendo ai progettisti di lavorare da remoto e raggiungere straordinari livelli di efficienza.

Questo è solo un piccolo esempio di ciò che è possibile realizzare con Altium Designer tramite Altium 365. Consulta la pagina di prodotto per una descrizione più approfondita delle funzionalità o per seguire uno dei webinar on-demand.

Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

Articoli Più Recenti

Tornare alla Pagina Iniziale