Wytyczne projektowania płytek PCB z zasilaczami impulsowymi

Projektanci zasilaczy rozumieją skomplikowane szczegóły techniczne i wymagania funkcjonalne związane z układem płytki PCB dla przetwornicy impulsowej. Układ ten decyduje o podatności na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), zachowanie termiczne, integralność mocy i bezpieczeństwo. Dobry układ zapewnia wysoką efektywność przekształcania mocy i dostarczanie jej do obciążenia, jednocześnie umożliwiając odprowadzanie ciepła od gorących komponentów w układzie, oraz zapewnia niskie sprzężenie szumów wokół systemu elektronicznego. Bezpieczeństwo jest również ważnym czynnikiem w regulatorach przełączających, które mogą dostarczać wysoki prąd do wyjścia, tworząc zagrożenie bezpieczeństwa.

Nieodpowiednie wybory układu wprowadzają problemy, które pojawiają się przy wysokich poziomach prądu i stają się oczywiste przy dużych różnicach między napięciem wejściowym a wyjściowym. Wspólne problemy z zasilaniem, widoczne przy złym układzie PCB, obejmują utratę regulacji przy wysokim prądzie wyjściowym, nadmierne szumy na wyjściu i przebiegach przełączania, oraz niestabilność obwodu. Dzięki połączeniu narzędzi symulacji integralności mocy stałoprądowej, symulacji obwodów i funkcji analizy oraz najlepszego zestawu narzędzi do układania i trasowania, projektanci mogą zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność swojego urządzenia. Altium Designer oferuje oprogramowanie do projektowania PCB zasilacza i wiele więcej, które pomaga zapobiegać tym problemom.

ALTIUM DESIGNER

Oprogramowanie do projektowania PCB, które pomaga stosować się do wytycznych układu PCB dla przetwornicy impulsowej.

Zasilacze napotykają szereg wyzwań i wymagają kompletnego zestawu funkcji projektowania i analizy, aby zapewnić ich prawidłowe działanie. Te projekty mogą również stwarzać zagrożenia bezpieczeństwa, które mogą szkodzić użytkownikom, zarówno przez ekspozycję na wysokie napięcie, jak i nagłe rozładowanie prądu do użytkownika. Jak projektanci mogą upewnić się, że mogą budować bezpieczne, dokładne i niezawodne zasilacze?

Przetwornice impulsowe są standardem do konwersji między wysokoprądowym prostowanym prądem przemiennym a wysokim napięciem za pomocą przełączającego elementu zasilającego w obwodzie reaktywnym. Te komponenty są nieliniowe i często używają sprzężenia zwrotnego do utrzymania regulacji, w przeciwieństwie do typowego regulatora LDO. W LDO regulacja jest utrzymywana przez nasycenie wzmacniacza błędu, co powoduje straty rezystancyjne widoczne jako ciepło na układzie PCB.

Chociaż regulatory przełączające są preferowane ze względu na regulację i efektywność, ich rozmieszczenie może być trudne, ponieważ wiążą się z większą liczbą komponentów, niektóre z nich mogą mieć większe pasożytnicze i mogą być podatne na problemy z zakłóceniami, jeśli nie są odpowiednio rozmieszczone. Aby rozpocząć pracę nad swoim kolejnym układem zasilacza, postępuj zgodnie z tymi wytycznymi dotyczącymi układu PCB przetwornicy impulsowej, abyś mógł zapewnić niezawodność swojego projektu.

Rozpoczynanie układu PCB SMPS

Istnieją pewne podstawowe zasady układania płytek PCB SMPS, których należy przestrzegać, aby zapewnić, że projekt będzie charakteryzował się niskim poziomem zakłóceń, niską emisją promieniowania EMI oraz niską temperaturą. Ogólnie, wytyczne te można podsumować następująco:

• Staraj się utrzymać niski poziom EMI poprzez właściwe definiowanie masy, umieszczanie krótkich ścieżek w układzie PCB oraz rozmieszczanie sekcji galwanicznie izolowanych na płytce tak, aby nie dochodziło do sprzężeń szumów.
• Wykorzystuj odpowiednie obwody filtrów EMI na wejściu i wyjściu, gdy są potrzebne, jeśli w układzie występują zakłócenia, wymagane są funkcje takie jak śledzenie koperty, lub konkretne źródła szumów sprawiają problemy w projekcie.
• Używaj dużej ilości miedzi, aby zapewnić ścieżkę dla odprowadzania ciepła od ważnych komponentów. W razie potrzeby możesz rozważyć unikalny projekt obudowy, jak również zastosowanie radiatorów lub wentylatorów na gorących komponentach.
• Umieszczaj szybko przełączające się obwody o wysokim prądzie, takie jak tablice MOSFET, tak aby nie występowały parasitalne oscylacje w projekcie podczas przełączania.

Organizacje regulacyjne, takie jak Underwriter Laboratories i IEC, testują zasilacze pod kątem promieniowanej interferencji elektromagnetycznej (EMI), przewodzonej EMI, stabilności, efektywności oraz żywotności operacyjnej. Regulacje FCC i CE również ustalają limity emisji dla przetwornic impulsowych, ponieważ urządzenia te mogą być niezamierzonymi źródłami promieniowania. Altium Designer dostarcza narzędzia do analizy obwodów, które są potrzebne do lepszego zrozumienia zachowania elektrycznego twojego urządzenia, a narzędzia do projektowania PCB mogą pomóc ci stworzyć układ, który spełnia powyższe wymagania, biorąc pod uwagę symulowane specyfikacje elektryczne.

Uważaj, definiując masę

Pierwszą wytyczną dotyczącą układu PCB przetwornicy impulsowej, którą należy wziąć pod uwagę, jest sposób definiowania masy w układzie. Projektując obwód zasilający impulsowy, pamiętaj, że istnieje pięć punktów masowych. Mogą one być rozdzielone na różne przewodniki, aby zapewnić izolację galwaniczną. Są to:

• Wejściowe uziemienie źródła wysokiego prądu
• Wejściowe uziemienie pętli prądu wysokiego
• Wyjściowe uziemienie prostownika wysokiego prądu
• Wyjściowe uziemienie obciążenia wysokiego prądu
• Uziemienie sterowania niskopoziomowego

Każde z tych połączeń uziemiających może istnieć w fizycznie oddzielnych przewodnikach, w zależności od potrzeby izolacji galwanicznej w przetwornicy, prostowniku lub obwodzie regulatora. Twój obwód zasilający może przyjmować szumy wspólnego trybu, jeśli uziemienia są sprzężone pojemnościowo, co może często występować przez pobliską przewodzącą obudowę. Regiony uziemienia na PCB powinny być wyraźnie określone po każdej stronie izolujących komponentów, takich jak

Jeśli, z jakiegoś powodu, uziemienia muszą być połączone, aby wyeliminować pewne przesunięcie stałoprądowe, kondensator o oznaczeniu Y jest najlepszą opcją, ponieważ zapewnia filtrację wysokich częstotliwości i eliminuje przesunięcie stałoprądowe między regionami uziemienia.

Każda masa o wysokim prądzie służy jako jedna z pętli prądowych, ale powinna być rozmieszczona tak, aby zapewnić ścieżkę o niskiej impedancji dla powrotu prądów. Może to wymagać zastosowania wielu przelotek (vias) z powrotem do płaszczyzny masy, aby umożliwić przepływ wysokiego prądu przy niskiej równoważnej indukcyjności. Te punkty oraz potencjał, na którym się znajdują względem masy systemu, stają się punktem do pomiaru sygnałów stałych (DC) i zmiennych (AC), które przewodzą między różnymi punktami obwodu. Ze względu na konieczność zapobiegania ucieczce szumów z mas wysokoprądowych AC, ujemny terminal odpowiedniego kondensatora filtrującego służy jako punkt połączenia dla mas wysokoprądowych.

Najlepszą praktyką przy definiowaniu obszarów masy jest używanie dużych płaszczyzn lub wylewek poligonowych. Te obszary zapewniają ścieżki o niskiej impedancji do rozpraszania szumów z dala od wyjścia DC i mogą obsługiwać duże prądy zwrotne. Zapewniają również ścieżkę do transportu ciepła z dala od ważnych komponentów, gdy jest to potrzebne. Umieszczenie płaszczyzny masy po obu stronach pochłania promieniowane EMI, redukuje szumy i zmniejsza błędy pętli masy. Działając jako osłony elektrostatyczne i rozpraszając promieniowane EMI za pomocą prądów wirowych, płaszczyzny masy oddzielają także ścieżki zasilania i komponenty płaszczyzny zasilania od komponentów płaszczyzny sygnałowej. Narzędzia CAD Altium Designer ułatwiają definiowanie mas w układzie PCB i umieszczanie dużych przewodników do użytku jako obszary masy w PCB. Szczególnie przy pracy z zasilaczami impulsowymi, możesz użyć płaszczyzny masy po obu stronach PCB i połączyć je za pomocą przelotek, aby zapewnić spójny potencjał na całej masie.

• Obszary masy w projekcie mogą być nazywane wieloma nazwami w zależności od ich funkcji. Zachowaj ostrożność przy definiowaniu obszarów masy w swoim projekcie i upewnij się, że są one odpowiednio ze sobą połączone.
  Dowiedz się więcej o masie ziemi, cyfrowej i analogowej dla płyt obwodów drukowanych.
• Płaszczyzny masy są ważne w systemach wykraczających poza układy zasilające PCB. Upewnij się, że definiujesz połączenia tak, aby miały niską impedancję, nie wpływając przy tym na montaż.
  Dowiedz się więcej o tworzeniu płaszczyzny masy w Altium Designer.
• Szumy wspólne i szumy przewodzone są dominującymi źródłami szumów w układzie PCB i mogą spowodować, że projekt nie przejdzie testów EMI, gdy szumy są ekstremalne.
  Dowiedz się więcej o EMI w zasilaczach i o niektórych krokach mających na celu jego redukcję.

Edytor schematów wspomaga układ

Uziemienie jest ważnym punktem wyjścia projektu, ponieważ będzie determinować odporność na szumy i możliwość trasowania układu PCB. Jednakże, nie jest to jedyna kwestia w projektowaniu zasilaczy. Działanie przełączające i tłumienie EMI są wbudowane w zasilacze i muszą być jasno określone w PCB.

Gdzie wykonać połączenia z masą

Zdolność kontrolera SMPS do precyzyjnej regulacji napięcia wyjściowego zależy od połączenia niskopoziomowego uziemienia sterowania. Pracując z układami scalonymi, kondensatorami wejściowymi, kondensatorami wyjściowymi i diodami wyjściowymi, upewnij się, że komponenty są połączone z płytą uziemiającą. Połączenie uziemienia jest związane z punktem, w którym układ sterujący i jego powiązane obwody mierzą prąd przemienny, prąd stały, napięcie wyjściowe oraz inne główne parametry. Połączenie niskopoziomowego uziemienia z dolną stroną rezystora pomiaru prądu lub dzielnika napięcia wyjściowego zapobiega wykrywaniu przez obwód sterujący szumów wspólnych.

Projektowanie działania przełączającego

SMPS działa poprzez szybkie przełączanie jednostek przelotowych między stanem pracy odcięcia a stanem nasycenia i dostarczanie stałej mocy do obciążenia wyjściowego. W stanie odcięcia przez jednostkę przelotową istnieje wysokie napięcie, ale nie płynie żaden prąd. W stanie nasycenia przez jednostkę przelotową płynie duży prąd przy bardzo małym spadku napięcia. Ponieważ przełącznik półprzewodnikowy tworzy napięcie przemienne z napięcia stałego na wejściu, SMPS może albo podwyższać, albo obniżać napięcie za pomocą transformatorów, a następnie filtrować napięcie z powrotem na prąd stały na wyjściu.

Zasilacze impulsowe z modulacją szerokości impulsu (PWM) działają albo w trybie przekształtnika w przód, albo w trybie podwyższającym. Zasilacze w trybie przekształtnika w przód mają na wyjściu filtr LC, który tworzy napięcie wyjściowe DC z czasowo-napięciowej średniej napięcia uzyskanego z filtru. Aby kontrolować czasowo-napięciową średnią sygnału, kontroler zasilacza impulsowego zmienia wypełnienie prostokątnego napięcia wejściowego.

Przetwornica obniżająca napięcie vs. Przetwornica podwyższająca napięcie

Przetwornice w trybie podwyższającym napięcie łączą cewkę bezpośrednio z źródłem napięcia wejściowego, gdy włącznik zasilania jest aktywowany. Prąd cewki wzrasta od zera i osiąga swoje maksimum jednocześnie z wyłączeniem włącznika zasilania. Prostownik wyjściowy ogranicza napięcie na cewce i zapobiega przekroczeniu napięcia wyjściowego zasilacza. Gdy energia zgromadzona w rdzeniu cewki przechodzi do kondensatora wyjściowego, przełączane zaciski cewki wracają do poziomu napięcia wejściowego.

Tymczasem tryb pracy przetwornicy obniżającej wykorzystuje te same komponenty, ale w innej topologii, aby ograniczyć przeciwnapięcie induktora do poziomu niższego niż napięcie wejściowe. Działanie przełączające zapewnia ten sam efekt co w przetwornicy podwyższającej, gdzie prąd wyjściowy oscyluje w rywalizacji z ładowaniem/rozładowaniem kondensatora, umożliwiając tym samym regulację mocy wyjściowej. Oba typy topologii regulatora/przetwornicy pozwalają na propagację szumów przełączania do portów wyjściowych w projekcie, co można zaobserwować jako wysokoczęstotliwościowe tętnienia na wyjściu.

Routing zasilania pomaga zapewnić działanie przy niskim poziomie szumów

Przetwornice przełączające przewodzą szumy wysokoczęstotliwościowe, dopóki częstotliwość szumów nie osiągnie wartości około 100 razy większej niż częstotliwość przełączania. Następnie częstotliwość szumów spada w tempie -20 do -40 dB na dekadę. Ponieważ regulatory przełączające działają w stanach zasilania „włączony” i „wyłączony”, duże impulsy prądowe o ostrych krawędziach przepływają w obwodzie zasilania przełączającego i - w efekcie - tworzą EMI. Przejście między stanami zasilania ON i OFF tworzy EMI, które może być indukowane gdzie indziej w systemie, jeśli pętle prądowe w układzie zasilania są zbyt duże. Obwody zasilania przełączającego składają się z pętli przełącznika mocy i pętli prostownika wyjściowego, które muszą być odpowiednio trasowane, aby zapobiec nadmiernemu szumowi.

Podczas projektowania układu zasilania, zwróć szczególną uwagę na obwód pętli oraz długość i szerokość ścieżek. Utrzymanie małego obwodu pętli eliminuje możliwość działania pętli jako anteny do niskich częstotliwości. Z punktu widzenia efektywności obwodu, szersze ścieżki zapewniają również dodatkowe odprowadzanie ciepła dla przełączników mocy i prostowników. Możesz użyć silnika trasowania aktywnego, aby osiągnąć wyniki trasowania jak przez człowieka i rozmieścić swoje komponenty tak, aby pętle prądu przełączającego przewodziły w tym samym kierunku. Gdy pętle prądu przewodzą w tym samym kierunku, układy sterujące są sprzężone z określonymi punktami na płytce. W rezultacie, pole magnetyczne nie może zmieniać kierunku wzdłuż ścieżek znajdujących się między dwoma półokresami i generować promieniowane EMI.

• Narzędzia trasowania w Altium Designer pomagają łatwo umieszczać poligony dla linii o wysokim prądzie/wysokim napięciu, lub cieńsze ścieżki dla linii danych i sterowania.
  Dowiedz się więcej o trasowaniu układu zasilania w Altium Designer.
• Pracując nad układem zasilania, utrzymuj ścieżki, które obsługują wysokie prądy przełączające, krótkie, bezpośrednie i grube. Standardy IPC mogą być użyte do obliczenia zalecanej szerokości ścieżek, chociaż zasadą jest minimalna szerokość 15 mil na Amper.
  Dowiedz się więcej o obliczaniu szerokości ścieżki, aby zapewnić wysoką zdolność do przenoszenia prądu.
• Filtry EMI w przetwornicach SMPS tłumią wysokoczęstotliwościowe zakłócenia spowodowane przez prądy wysokiej częstotliwości przewodzone w przewodach wejściowych i wyjściowych DC. Możesz użyć zintegrowanych cen i dostępności komponentów oraz linków do kart katalogowych znalezionych w Bibliotekach i w Altium Content Vault, aby zaprojektować filtry, które dają najlepsze rezultaty.
  Dowiedz się więcej o obwodach filtrów EMI w układzie PCB.

Wskazówki dotyczące układu PCB dla węzłów napięcia zmiennego SMPS

W zależności od konfiguracji SMPS, węzły napięcia zmiennego znajdują się na drenie tranzystora MOSFET lub kolektorze tranzystora BJT oraz anodach prostowników wyjściowych. Każdy z tych węzłów może mieć wysokie napięcia AC. Jako przykład, szczytowe napięcie AC znajdujące się na drenie MOSFET może wynosić od jednego do dwóch razy więcej niż napięcie wejściowe. Z drenem zamocowanym do radiatora przez izolator, uziemiony radiator zapewnia ścieżkę dla pojemnościowo sprzężonego szumu. Możesz użyć narzędzi do układu PCB dostępnych w Altium Designer, aby umieścić podatne sygnały po tej samej stronie, a nie pod hałaśliwym węzłem AC. Dodatkowo, możesz krzyżować wszelkie płaszczyzny uziemienia znajdujące się pod węzłem, aby wyeliminować szum.

Środowiska montażu powierzchniowego mają mniejsze wartości pojemności, ale mogą wprowadzać zakłócenia do wrażliwych sygnałów. Z tych powodów układ płytki również musi uwzględniać możliwość pojemnościowego sprzęgania napięć węzłów AC do radiatorów lub sąsiednich płaszczyzn masy. Projektując płytkę PCB montażu powierzchniowego, należy zaprojektować węzły na tyle duże, aby mogły służyć jako radiatory dla przełącznika mocy lub prostownika. Niektóre wielowarstwowe projekty zwiększają masę termiczną projektu, czyniąc wszystkie warstwy poniżej węzła AC identycznymi do węzła AC i łącząc warstwy za pomocą otworów metalizowanych.

Altium Designer zapewnia kompletny zestaw narzędzi do projektowania i układania

Kompletny zestaw funkcji projektowania i układania PCB w Altium Designer daje Ci narzędzia potrzebne do tworzenia niezawodnych i bezpiecznych systemów zasilania. Możesz również tworzyć i symulować ważne topologie obwodów zasilających oraz filtry EMI, które mogą być używane w dowolnej aplikacji, od systemów DC o wysokiej mocy po systemy AC o wysokiej częstotliwości. Wtyczka PDN Analyzer dla Altium Designer zapewnia najlepsze zasoby do analizy prądu stałego i napięcia obwodu. Projektowanie układu PCB dla zasilacza impulsowego może wydawać się zniechęcające, ale Altium Designer dostarcza narzędzia, które rozkładają złożoność zasilania na łatwe do zrozumienia zadania.

• Altium Designer zapewnia wszystko, co jest potrzebne, aby przekształcić Twoje pomysły w rzeczywistość. Możesz budować wszystko, od prostych obwodów MOSFET po zaawansowane projekty zasilaczy RF w Altium Designer.
  Dowiedz się więcej o zintegrowanych narzędziach do projektowania PCB w Altium Designer.
• Rozszerzenie PDN Analyzer w Altium Designer pozwala użytkownikom analizować wydajność ich zasilaczy z wykorzystaniem standardowych w branży symulacji integralności zasilania DC.
  Dowiedz się więcej o wtyczce PDN Analyzer dla Altium Designer.
• Wszyscy użytkownicy Altium Designer mogą udostępniać swoje projekty zasilaczy za pośrednictwem platformy Altium 365. Zespoły projektowe używają Altium 365, aby pozostać produktywnymi i bezpiecznie dzielić się danymi projektowymi w chmurze.
  Dowiedz się więcej o udostępnianiu danych projektowych PCB na Altium 365.

Celem Altium zawsze było zapewnienie użytkownikom uproszczonego doświadczenia projektowego w jednolitym interfejsie projektowym. Edytor schematów, edytor PCB, pakiet symulacji SPICE, funkcje trasowania i narzędzia symulacyjne w Altium Designer zapewniają wszystko, co jest potrzebne do budowy bezpiecznych, niezawodnych i wolnych od zakłóceń zasilaczy. Kiedy potrzebujesz kompletnego zestawu narzędzi do tworzenia i zarządzania komponentami, użyj najlepszych w branży narzędzi ECAD do tworzenia i symulowania projektów.

Altium Designer na Altium 365 zapewnia dotąd niespotykany poziom integracji w branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.