Przewodnik po układzie zasilacza PCB

Zwykle nie projektuje się PCB bez elementu zasilającego, ale fakt, że jest to element powszechnie stosowany, nie oznacza, że nie przyniesie wyzwań w projekcie PCB. Dwa główne warianty do rozważenia to zasilacze liniowe i zasilacze impulsowe. Każdy z nich wiąże się z określonymi wymogami przy projektowaniu układu PCB zasilacza.

Zasilacze liniowe

Liniowe obwody zasilania to proste konstrukcje z kilkoma komponentami, które można łatwo zamontować na płytce PCB. Wyzwanie polega na tym, że obwody te są nieefektywne, co skutkuje koniecznością zarządzania znacznymi stratami mocy wypromieniowanej i przewodzonej energii cieplnej. Ten problem może być trudny do rozwiązania, gdy elementy wrażliwe na temperaturę są montowane na płytce PCB lub są zamknięte w szczelnej obudowie w celu ochrony środowiska, co ogranicza możliwości chłodzenia.

Zasilacze impulsowe

Obwody zasilaczy impulsowych PCB są bardziej złożone niż liniowe zasilacze PCB, a jednocześnie są znacznie wydajniejsze. Jest to świetne rozwiązanie, ponieważ skraca czas pracy osoby projektującej PCB związany z zarządzaniem temperaturą, ale niestety niesie ze sobą inny zestaw problemów. Obwód impulsowy może generować znaczne poziomy szumu elektromagnetycznego, którym przy projektowaniu PCB trzeba będzie się zająć. Ten szum elektryczny może wpływać na inne elementy obwodu na PCB i być emitowany poza płytkę, wpływając na pobliskie urządzenia. W skrajnych przypadkach szum generowany przez obwód zasilania PCB może być przenoszony z powrotem przez okablowanie zasilania sieciowego, co oddziałuje na inne urządzenia podłączone do tego samego zasilania sieciowego.

Innym potencjalnym problemem związanym z szumem jest to, że obwody impulsowe mają tendencję do generowania tętnienia napięcia na wyjściu, które, jeśli nie jest odpowiednio zarządzane, może wywoływać zakłócenia na płytce poprzez sprzęganie pojemnościowe lub indukcyjne między ścieżkami biegnącymi równolegle bądź wiązkami przewodów. Ostatnim i bardziej subtelnym problemem jest możliwość odbicia uziemienia na PCB, na której zamontowany jest obwód impulsowy. Szybkie przełączanie może spowodować przejściową zmianę potencjału uziemienia w punkcie na płytce, w którym elementy impulsowe łączą się z płaszczyzną uziemienia. Powoduje to tymczasową różnicę potencjałów w płaszczyźnie uziemienia płytki. W skrajnym przypadku różnica może skutkować tym, że komponenty w odległej części płyty odbierają i reagują na odbierany sygnał wynikający z tej fałszywej różnicy potencjałów.

Wytyczne dotyczące zasilania układu PCB

Uziemienie

O ile przestrzeń nie jest ograniczona, warto uwzględnić w projekcie płytki solidną płaszczyznę uziemienia zasilacza, aby zapewnić ekranowanie elektromagnetyczne. Jeśli poświęcenie całej warstwy nie jest możliwe, rozważ jako minimum wielokąt uziemienia, który obejmuje cały obszar pod komponentami zasilania PCB.

Płaszczyzna uziemienia w projekcie zasilania PCB powinna być oddzielona od wspólnej masy dla reszty obwodu, aby zminimalizować efekty sprzężenia szumów. Ponadto połączenie między tymi dwoma uziemieniami powinno być ograniczone do jednego punktu na płycie, aby zapobiec pętlom uziemienia.

Przewodność ścieżki

Ścieżki w obwodach zasilania PCB powinny być jak najkrótsze i jak najszersze, aby zmniejszyć straty rezystancyjne i emisję szumów elektromagnetycznych. Tam gdzie jest wystarczająco dużo miejsca, zaleca się stosowanie wylewek wielokątnych. Jest to szczególnie istotne w przypadku zasilaczy liniowych, gdzie przewodność cieplna może mieć kluczowe znaczenie.

Aby uzyskać najlepszy efekt, najlepiej byłoby uwzględnić w projekcie płytki wewnętrzne warstwy z wypełnieniem stałym, które wykorzystują przelotki do podłączenia płaszczyzn zasilania i uziemienia. Należy unikać używania przelotek do przełączania ścieżek zasilania PCB z jednej warstwy na drugą, ponieważ przelotka będzie działać jako punkt o zwiększonej impedancji. Lepszym rozwiązaniem jest wiele przelotek łączących wielokąty.

Na wydajność będzie miała również wpływ grubość warstw miedzi, choć zwiększenie grubości wiąże się z wyższą ceną, więc konieczny może być kompromis między kosztem a wydajnością.

Innym sposobem na zwiększenia przewodności jest dodanie warstwy lutowniczej do zewnętrznych warstw płytki poprzez zmiany maski lutowniczej. Można jednak uzyskać lepszą wydajność poprzez dodanie listew magistrali PCB lub zewnętrznych przewodów między punktami na płytce, w których zamontowane są elementy projektu zasilania PCB.

Rozmieszczanie komponentów

Ze względu na wymóg, aby ścieżki były jak najkrótsze, elementy zasilające PCB powinny być umieszczane jak najbliżej siebie i w optymalnej orientacji. Aby to osiągnąć, można zamontować części po obu stronach płytki.

Wyznaczanie tras ścieżek

Ścieżki przenoszące wrażliwe sygnały powinny być poprowadzone z dala od zasilaczy na niepodłączonej warstwie płytki oddzielonej płaszczyzną uziemienia od ścieżek zasilania 12 V układu PCB. Ścieżki sygnałowe nigdy nie powinny przebiegać równolegle do ścieżek zasilania, aby zapobiec przenoszeniu szumów z układu zasilania do sygnału. Jeśli bliskość jest nieunikniona, ścieżki sygnałowe powinny przecinać ścieżki zasilania PCB pod kątem 90 stopni, aby zminimalizować efekt przenoszenia szumów.

Zarządzanie temperaturą

Wszystkie układy obwodów zasilania generują ciepło, w związku z tym w projekcie płytki trzeba uwzględnić zarządzanie temperaturą. Dlatego pierwszym czynnikiem, który należy rozważyć, jest rozmieszczenie komponentów w taki sposób, aby w miarę możliwości oddzielić komponenty wytwarzające ciepło od komponentów wrażliwych na ciepło, a wszystko to przy zachowaniu krótkich ścieżek.

Kolejną kwestią jest wykorzystanie miedzi płyty głównej do zapewnienia przewodności cieplnej w celu bardziej równomiernego rozprowadzania ciepła od gorących punktów do obszarów, które umożliwiają rozpraszanie ciepła.
Potencjalnym problemem w przypadku zasilaczy impulsowych PCB jest to, że obwód sterowania sprzężeniem zwrotnym często zawiera komponenty wrażliwe na temperaturę, które wymagają kolokacji z komponentami impulsowymi generującymi ciepło. Niekontrolowane gorące punkty mogą powodować niestabilność układu zasilania i potęgować problemy związane z temperaturą.

Streszczenie

Zasilacze mogą być źródłem większości problemów z temperaturą i hałasem na PCB, więc projekt płytki musi od samego początku uwzględniać tę kwestię. Dobry projekt płytki zaczyna się od dobrego układu zasilania PCB.

Czy chcesz się dowiedzieć więcej o tym, jak program Altium Designer® może pomóc w opracowaniu kolejnych wytycznych dotyczących projektowania PCB dla elektroniki mocy? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.