Wytyczne układu PCB dla przetwornic i regulatorów impulsowych

Zasilacze i regulatory mogą przyjmować różne formy i rozmiary. Chociaż zwykle uważa się je za różne produkty, są one równoważne pod względem elektrycznym, zwłaszcza regulatory impulsowe. Z perspektywy systemu na wysokim poziomie, sekcja regulatora impulsowego w zasilaczu i sam obwód regulatora pełnią te same funkcje w ramach tego samego schematu blokowego.

W przypadku zasilacza jest to po prostu kwestia skali i sposobu, w jaki regulator integruje się z innymi blokami konwersji mocy w systemie. Sekcja regulatora impulsowego w zasilaczu i obwód regulatora impulsowego na PCB powinny być rozmieszczone zgodnie z tymi samymi ogólnymi wytycznymi, aby zapewnić cichą pracę.

W kolejnych sekcjach chciałbym krótko skupić się na tym, jak zasilacze i regulatory różnią się, choć dla większości projektantów powinno to być już jasne. Zasilacz będzie zawierał (lub powinien zawierać) regulator mocy, ale regulator może być samodzielnym obwodem, który nie jest częścią tego, co moglibyśmy nazwać zasilaczem. W przypadku zasilacza i PCB z wbudowanym regulatorem układ regulatora impulsowego będzie kluczowym czynnikiem determinującym ogólną wydajność systemu. Dlatego skupimy się głównie na kilku wytycznych dotyczących układu dla zasilaczy impulsowych w kontekście układu regulatora.

Wytyczne dotyczące układu systemowego dla zasilaczy impulsowych

Przed przejściem do sekcji regulatora zasilacza impulsowego powinniśmy najpierw spojrzeć na schemat blokowy całego systemu na wysokim poziomie. Jeśli projektujesz jednostkę zasilającą, cała jednostka będzie miała topologię pokazaną poniżej. Jest to szczególnie ważne w przypadku zasilacza, który będzie zasilany prądem przemiennym z gniazdka ściennego.

Powyższy schemat blokowy może być zaimplementowany na kilku płytach, chociaż często wszystko umieszcza się na jednej płytce, aby zostawić miejsce na duże transformatory, radiatory, wentylatory i uchwyty mechaniczne, zwłaszcza w przypadku zasilaczy wysokiego napięcia/prądu. Jeśli projektujesz mały regulator dla płytki, która będzie podłączona do jednostki zasilającej, będziesz działać w ramach powyższej topologii, mając po prostu połączenie masy między regulatorem wyjściowym a nowym regulatorem. Ponownie, jest to powszechne w przypadku zasilaczy wysokoprądowych.

W powyższym schemacie istnieje kilka innych punktów do omówienia:

Izolacja galwaniczna

W powyższym schemacie blokowym mamy trzy oddzielne obszary masy połączone kondensatorami. Nie należy ślepo podążać za tą wytyczną z kondensatorami: nie istnieje uniwersalna technika uziemienia dla PCB, która radzi sobie z każdym źródłem zakłóceń, i należy ostrożnie korzystać z powyższego zastosowania kondensatorów. Powyższy schemat ilustruje metodę zapewnienia stałego potencjału masy w całym obszarze masy; jest to zalecana metoda uziemienia w systemach Ethernet przemysłowych. Pomysł polega na zablokowaniu każdego potencjału stałego, który mógłby się rozwinąć między dwoma sekcjami masy.

Niebezpieczeństwo tutaj polega na tworzeniu pętli masy i zakłóceń w trybie wspólnym, które następnie trzeba filtrować. Łączenie mas w ten sposób jest w zasadzie tym, co dzieje się, gdy masz metalową obudowę, podczas gdy plastikowe obudowy pozostawiają masy odizolowane. Staje się to skomplikowane i wymaga starannego projektowania obwodów i rozmieszczenia PCB, aby zawsze przejść wszystkie testy EMC.

Stopień wyjściowy

Izolacja galwaniczna na stopniu wyjściowym nie jest wymagana; zależy to od topologii regulatora DC (zobacz konwerter flyback jako dobry przykład). Często dodaje się również obwód filtru EMI lub dławik trybu wspólnego na wyjściu, aby zredukować prądy trybu wspólnego docierające do obwodów obciążenia. Poza tymi punktami, stopień regulatora wyjściowego będzie zaprojektowany zgodnie z najlepszymi praktykami dla określonej topologii regulatora. Te szersze koncepcje układu regulatora omówię poniżej.

Stopień wyjściowy jednostki zasilającej może nie być końcowym regulatorem w systemie. Zamiast tego może zasilać inny regulator lub serię regulatorów, z których każdy dostarcza określone napięcie z maksymalnym prądem do grupy komponentów. Może to być zrealizowane na jednej płytce lub na kilku płytkach (jedna dla zasilacza, druga dla stopni regulatorów) :

Powyższe drzewo mocy pokazuje regulatory równoległe (w łańcuchu), ale mogą być one również kaskadowane w topologii drzewa. Ta mapowanie prądu w PDN jest dość przydatne, ponieważ pomaga szybko określić, ile prądu każdy stopień regulatora poniżej wnosi do całkowitego prądu w PDN. Całkowity prąd i poszczególne prądy określą następnie rozmiar szyn zasilających lub płaszczyzny mocy potrzebnej do przenoszenia wystarczającej ilości prądu do każdej sekcji w systemie.

Rozmieszczenie każdego bloku obwodu

Teraz, gdy możemy zobaczyć ogólną architekturę systemu, możemy zorientować się, jak rozmieszczać każdy blok obwodu w zasilaczu impulsowym i całym systemie, aby zapewnić niskie EMI i bezpieczeństwo. Pomyśl o całym schemacie blokowym podczas tworzenia układu PCB :

• Rozmieszczenie w sekcjach : Podobnie jak w innych płytkach z wieloma blokami funkcjonalnymi, spróbuj rozmieszczać płytkę zasilającą w sekcjach. Można to zrobić liniowo, postępując od wejścia do wyjścia w schemacie blokowym.
• Zaplanowanie rozmieszczenia z sprzężeniem zwrotnym : Czasami, jak w przypadku regulatorów wysokoprądowych o wysokiej precyzji, będzie sprzężenie zwrotne między sekcjami. Użyj optoizolatorów, aby wypełnić lukę masy między każdą sekcją.
• Śledzenie ścieżek powrotu masy : Jeśli istnieje uniwersalna wytyczna w projektowaniu PCB, to prawdopodobnie brzmi „śledź ścieżkę powrotu masy”. W przypadku zasilaczy jest to kluczowe, aby zidentyfikować miejsca, w których mogą powstawać prądy w trybie wspólnym, i zapewnić niskie indukcyjności pętli w każdej sekcji zasilania.
• Zwracanie uwagi na szyny wysokiego napięcia i dużego prądu : Projektowanie dla wysokiego napięcia i dużego prądu to czasami aspekty wzajemnie powiązane. Maksymalna różnica potencjałów między dwoma przewodnikami określi ich minimalny odstęp (zobacz IPC-2221), a prąd, jaki przewodnik przenosi, określi jego wymaganą szerokość, aby zapewnić niską temperaturę (zobacz IPC-2152 dla warstw wewnętrznych lub zewnętrznych).

Podczas projektowania części dotyczącej sieci zasilającej (PDN) należy również przemyśleć, jak każda sekcja będzie uziemiona i jak masy będą połączone, aby zapewnić spójny potencjał odniesienia. Jest to bardzo ważne dla zapobiegania zakłóceniom elektromagnetycznym (EMI), o czym wspomniałem powyżej. Powinno to zostać zaplanowane przed rozpoczęciem projektowania układu PCB.

Wskazówki dotyczące projektowania układu regulatora impulsowego zasilacza

Gdy wybierzesz komponenty dla regulatora, stworzysz schematy i opracujesz strategię dystrybucji zasilania/uziemienia, możesz rozpocząć projektowanie układu PCB. Projektowanie układu PCB dla regulatora impulsowego polega na kompromisach: musisz wyważyć rozmiar przewodów względem wymagań dotyczących odstępów, ale jednocześnie zachować kompaktowość.

Na tym blogu opublikowaliśmy wiele przewodników dotyczących układu dla określonych topologii regulatorów. Zamiast omawiać wszystkie te możliwości, poniższa lista przedstawia ogólne wytyczne, które będą miały zastosowanie w Twoim systemie.

1. Zawsze stosuj minimalne zasady dotyczące odstępów i szerokości ścieżek dla swojego systemu.
2. Utrzymuj linie sprzężenia zwrotnego do pomiaru napięcia/prądu krótkie i prowadzone możliwie najkrótszą trasą.
3. Prawdopodobnie będziesz musiał zgrupować niektóre elementy sterujące i pomiarowe wokół sterownika i układów scalonych kontrolera, więc upewnij się, że połączenia między nimi są krótkie; można zgrupować te komponenty w zwartej przestrzeni (patrz poniżej).
4. Rozważ użycie grubych miedziowanych ścieżek lub nawet PCB na rdzeniu metalowym, jeśli projektujesz dla wysokiego prądu.
5. Nie bój się używać wielokątów jako punktów montażowych dla komponentów lub złączy. Uważaj jednak, aby nie łączyć ich bezpośrednio z płaszczyzną, ponieważ możesz potrzebować rozwiązań termicznych.
6. Nawet jeśli regulatory mogą mieć bardzo wysoką wydajność, mogą się nadal nagrzewać. Upewnij się, że w układzie jest miejsce na ewentualne radiatory na układach scalonych. Inną opcją jest zastosowanie materiału przewodzącego ciepło.

Konkretny zestaw wytycznych dotyczących układu regulatora impulsowego będzie zależał od topologii, liczby komponentów, obecności sprzężenia zwrotnego i strategii uziemienia. Miejmy nadzieję, że przemyślałeś uziemienie w celu zapobiegania EMI oraz zapewnienia wymaganej izolacji przed rozpoczęciem projektowania układu PCB. Aby zobaczyć bardziej szczegółowe wytyczne dotyczące swojego regulatora, zapoznaj się z poniższymi zasobami:

• Jak zaprojektować regulator napięcia boost
• Zasilacze izolowane vs nieizolowane: Wybór bez błędu
• Projektowanie konwertera rezonansowego LLC i układu PCB
• Regulator napięcia o niskim poziomie szumów i EMI

Co pominęliśmy?

Oczywiście w powyższej liście wytycznych dotyczących układów zasilaczy impulsowych i regulatorów znajduje się wiele do rozważenia. Więc czego brakuje? Oto kilka kluczowych aspektów regulacji i dostarczania mocy, które nie zostały uwzględnione w powyższej dyskusji:

• Impedancja PDN: Jeśli nie projektujesz z komponentami o dużej szybkości/wysokiej częstotliwości, prawdopodobnie nie musisz martwić się o impedancję PDN. Upewnij się tylko, że używasz szerokich szyn zasilających i dużej ilości wylania miedzi. Jeśli projektujesz dla dużej szybkości/wysokiej częstotliwości, niski poziom impedancji PDN jest bardzo ważny dla tłumienia tętnień, co zwykle osiąga się za pomocą dużej liczby kondensatorów odsprzęgających i wysokiej pojemności międzywarstwowej.
• EMI zasilacza: Wspomniałem o tym powyżej. Za każdym razem, gdy tworzysz układ PCB, powinieneś myśleć o zapewnieniu niskiego poziomu EMI, ale istnieje wiele czynników wpływających na tłumienie EMI i przejście testów EMC, poza niską indukcyjnością pętli. Omówię niektóre z tych punktów w artykule poświęconym EMI zasilacza.
• Zasilanie analogowe: Tutaj mówimy o przetwornikach impulsowych w kontekście układów cyfrowych. Co z komponentami analogowymi? Ich potrzeby zasilania mogą być całkowicie inne. Układy cyfrowe generujące sygnał analogowy/RF zwykle robią to wewnętrznie. Jednak istnieją wyspecjalizowane LDO (np. NCP161BMX280TBG) lub regulatory impulsowe (np. LTC3388IMSE-1).

Pozostaje również kwestia wyboru komponentów, takich jak wybór dławików, aby zapewnić niski poziom EMI i sprzężenia szumów w trybie wspólnym, a także niski poziom tętnień prądu. Ostatni punkt na powyższej liście jest również bardzo ważny, ponieważ czysto analogowe obwody nie będą miały takiego samego stylu układu jak regulator zasilania lub wbudowany zasilacz dla systemów cyfrowych. Gdy pracujesz przy bardzo wysokich częstotliwościach, problemy zasilania RF stają się trudniejsze do zarządzania z powodu pasożytniczych pojemności, podobnie jak w przypadku niestabilnych obwodów wzmacniaczy. Jest to kolejny temat, który bardzo lubię, ale zostawię go na inny wpis na blogu.

Z najlepszymi narzędziami do projektowania PCB w Altium Designer® możesz wdrożyć wytyczne dotyczące układu zasilaczy impulsowych, które tutaj omówiłem. Będziesz miał również narzędzia potrzebne do znajdowania układów scalonych regulatorów, komponentów do większych obwodów regulatorów i innych elementów dla swojego systemu. Do bardziej zaawansowanych obliczeń związanych z EMI przewodzonym lub promieniowanym użytkownicy Altium Designer mogą używać rozszerzenia EDB Exporter, aby zaimportować swój projekt do solverów polowych Ansys. Ten zestaw aplikacji do analizy pól i projektowania pomaga zweryfikować układ przed rozpoczęciem produkcji prototypowej.

Po ukończeniu projektu i chęci wydania plików dla producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Dopiero dotknęliśmy powierzchni tego, co można zrobić z Altium Designer na platformie Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z webinariów na żądanie.