Układ PCB wysokonapięciowego SMPS w celu minimalizacji ciepła i hałasu

Niezależnie od tego, czy wykonujesz konwersję AC-DC, czy DC-DC, układy zasilaczy impulsowych są powszechne w projektowaniu wysokonapięciowym i muszą być konstruowane z dużą ostrożnością. Chociaż ten system jest dość powszechny, łatwo może emitować EMI (elektromagnetyczne zakłócenia) ze względu na szybkie zmiany napięcia i prądu podczas przełączania. Projektanci rzadko mogą dostosować istniejące projekty do nowych systemów, ponieważ niewielka zmiana w jednym obszarze może stworzyć problem z EMI, który jest trudny do zdiagnozowania.

Z odpowiednimi wyborami układu i trasowania, możesz zapobiec temu, aby szum stał się znaczącym problemem na wyjściu z twojego SMPS. Konwertery niskonapięciowe można kupić jako układy scalone o różnych formach, ale konwertery wysokonapięciowe będą musiały być produkowane z dyskretnych komponentów na dedykowanej płytce. Oto kilka ważnych wskazówek dotyczących układu PCB SMPS, które pomogą ci utrzymać komponenty w chłodzie i zapobiec problemom z szumem w twoim systemie.

Problemy z szumem i ciepłem w układzie PCB twojego SMPS

Nie ma co do tego wątpliwości: każdy SMPS wyprodukuje umiarkowanie wysoką częstotliwość szumu ze względu na działanie przełączające tranzystora sterującego. W efekcie zamieniasz niskoczęstotliwościowe pulsowanie (np. z pełnookresowego prostownika podczas konwersji AC-DC) na wysokoczęstotliwościowy szum przełączania. Chociaż ta konwersja produkuje bardziej stabilne wyjście DC, nadal istnieje kwestia dwóch ważnych źródeł szumu:

• Bezpośrednie zakłócenia przełączania od elementu przełączającego.
• Zakłócenia przejściowe w innych miejscach systemu.

Zakłócenia mogą pojawić się na wyjściu z jednostki SMPS jako zakłócenia przewodzone oraz jako zakłócenia promieniowane. Chociaż przyczyna każdego problemu może być trudna do zdiagnozowania, łatwo jest odróżnić te dwa typy zakłóceń. Innym wyzwaniem projektowym w układzie PCB SMPS jest ciepło generowane na płycie. Chociaż można to zmniejszyć, wybierając odpowiednią częstotliwość PWM, cykl pracy i czas narastania, nadal musisz użyć odpowiednich strategii zarządzania ciepłem na swojej płycie. Mając na uwadze te dwa wyzwania, przyjrzyjmy się niektórym ważniejszym aspektom, na które należy zwrócić uwagę w układzie PCB SMPS.

Zarządzanie ciepłem

Idealny SMPS rozpraszałby zero mocy, chociaż w rzeczywistości się to nie zdarza. Twój tranzystor przełączający (i transformator wejściowy do konwersji AC-DC) rozproszy większość mocy jako ciepło. Mimo że efektywność może przekraczać 90% w topologiach zasilaczy przełączających, tranzystory MOSFET mogą nadal rozpraszać znaczne ilości ciepła podczas przełączania. Powszechną praktyką jest tutaj umieszczanie radiatorów na krytycznych komponentach przełączających; upewnij się, że połączysz je z powrotem do twojej płaszczyzny masy aby zapobiec nowemu źródłu EMI.

W zasilaczach wysokiego napięcia/wysokiego prądu, te radiatory mogą być dość duże. Możesz dać swojemu systemowi dodatkowy zastrzyk chłodzenia, montując wentylator do obudowy. Ponownie, upewnij się, że postępujesz zgodnie z najlepszymi praktykami dotyczącymi zasilania tego wentylatora, aby zapobiec nowym problemom z EMI.

Kilka wskazówek dotyczących układu PCB SMPS

Twoje Układanie Warstw PCB

Twój układ pomoże w pewnym stopniu w zarządzaniu ciepłem, ale ma większe znaczenie dla podatności na EMI. Zakłócenia przewodzone są zwykle eliminowane za pomocą obwodów filtrujących EMI w obwodach wejściowych i wyjściowych. Jak wiele problemów z EMI w systemach wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości, twoje układanie warstw będzie głównym czynnikiem odporności na promieniowane EMI.

Relewantne częstotliwości, na których będzie działać SMPS, mieszczą się gdzieś w zakresie od ~10 kHz do ~1 MHz, więc promieniowane EMI będzie indukować szum indukcyjnie. Dlatego chcesz umieścić płaszczyznę masy w swoim układzie warstw bezpośrednio pod warstwą powierzchniową ze wszystkimi twoimi komponentami zasilającymi. Zapewni to niską indukcyjność pętli dla obwodów na warstwie powierzchniowej. Jakikolwiek indukowany sygnał szumowy, który propaguje się do wyjścia, zwykle będzie usuwany przez filtrację na wyjściu.

Istnieje pewien sprzeciw wobec umieszczania masy pod cewkami (induktorem, transformatorem lub dławikiem wspólnego trybu) w układzie PCB. Powodem jest to, że pojemność uzwojenia w cewce może sprzęgać prąd z płaszczyzny masy z powrotem do cewki, tworząc szum wspólnego trybu, który jest źródłem EMI. Bardzo ważne jest śledzenie ścieżek powrotnych w układzie, aby zapobiec sprzęganiu szumów wspólnego trybu, zadanie, które jest wspomagane odpowiednim narzędziem do rozwiązywania problemów z polami.

Przejściowe Dzwonienie

Przejściowe zjawiska są trudniejszym problemem do rozwiązania, ponieważ są związane z układem warstw, trasowaniem, obecnością przelotek i niewystarczającym odsprzęganiem/nadmierną impedancją. Tak jak w przypadku projektowania wysokich prędkości, nie prowadź miedzi przenoszącej sygnał przełączający nad przerwą w płaszczyźnie masy, ponieważ stworzy to pewnego rodzaju strukturę anteny, która może silnie promieniować przy przejściach. Te przejściowe zjawiska mają tendencję do bycia wysokoczęstotliwościowymi (od dziesiątek do setek MHz).

Problem z przejściowym dzwonieniem jest problemem zarządzania impedancją. Wysoka impedancja prowadzi do silnych zmian napięcia. Komponenty powinny być umieszczane z odpowiednimi wzorami lądowania, aby zminimalizować impedancję w sieci zasilania płyty. Poniżej pokazano przykłady dobrych i złych lądowań dla twoich komponentów.

W końcu najlepiej jest nie pozostawiać żadnych izolowanych wysp w układzie. Połącz wszelkie wyspy zasilania, które mogą zawierać obwody sterujące lub elementy pasywne, z powrotem do masy za pomocą kondensatorów sprzęgających. Bądź ostrożny z umieszczaniem przelotek w tych sytuacjach, ponieważ nie chcesz tworzyć niezamierzonego wcięcia lub szczeliny w płaszczyźnie masy.

Więcej o projektowaniu wysokonapięciowych przetwornic SMPS

Jeśli interesuje Cię umiarkowane napięcie obwodu sterującego do zasilania diod LED o wysokiej intensywności, zapoznaj się z tym artykułem Marka Harrisa. Istnieje również kwestia określenia najlepszej częstotliwości przełączania do użycia w twojej przetwornicy SMPS. Może to być trudny problem optymalizacyjny do rozwiązania, ale możesz być znacznie bliżej rozwiązania, jeśli zrozumiesz zachowanie przełączania twojego MOSFETu, gdy jest sterowany sygnałem PWM. Omówiłem ten punkt w niedawnym artykule. Na koniec, zapoznaj się z naszymi poradami na temat projektowania wysokonapięciowych płyt (w tym SMPS) zgodnie ze standardami IPC.

Projektowanie schematów i układanie elementów w Altium Designer® są idealne do tworzenia układu PCB dla przetwornicy SMPS oraz do symulowania jego zachowania. Będziesz miał dostęp do pełnego zestawu narzędzi do symulacji przed układaniem, które możesz wykorzystać do projektowania obwodów, a także do potężnego analizatora PDN, aby zapewnić stabilne rozprowadzanie mocy na twojej płytce. Wszystkie te funkcje są dostępne w jednym środowisku projektowym, co pomaga ci pozostać produktywnym i szybko zbudować kolejny produkt.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do układania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dzisiaj, aby dowiedzieć się więcej.