Layout de PCB de SMPS de Alta Tensão para Minimizar Calor e Ruído

Seja realizando conversão AC-DC ou DC-DC, layouts de fontes de alimentação chaveadas são comuns em projetos de alta tensão e devem ser construídos com cuidado. Embora esse sistema seja bastante comum, ele facilmente irradia EMI devido às rápidas mudanças de tensão e corrente durante a comutação. Os projetistas raramente conseguem adaptar designs existentes para novos sistemas, pois uma pequena mudança em uma área pode criar um problema de EMI difícil de diagnosticar.

Com as escolhas certas de layout e roteamento, você pode evitar que o ruído se torne um problema significativo na saída do seu SMPS. Conversores de baixa tensão podem ser adquiridos como ICs com diferentes formatos, mas conversores de alta tensão precisarão ser produzidos a partir de componentes discretos em uma placa dedicada. Aqui estão algumas dicas importantes de layout de PCB para SMPS para ajudá-lo a manter os componentes frios e evitar problemas de ruído em seu sistema.

Problemas de Ruído e Calor no Seu Layout de PCB para SMPS

Não há como evitar: qualquer SMPS produzirá ruído de frequência moderadamente alta devido à ação de comutação do transistor. Na prática, você está trocando o ripple de baixa frequência (ou seja, de um retificador de onda completa durante a conversão AC-DC) por ruído de comutação de alta frequência. Embora essa conversão produza uma saída DC mais estável, ainda há a questão de duas fontes importantes de ruído:

• Ruído de comutação direto do elemento de comutação.
• Ruído transitório em outras partes do sistema.

O ruído pode aparecer na saída de uma unidade SMPS como ruído conduzido e como ruído irradiado. Embora a causa de cada problema possa ser complicada de diagnosticar, pode ser fácil distinguir entre os dois tipos de ruído. Outros desafios de design em layout de PCB SMPS é o calor gerado na placa. Embora isso possa ser influenciado pela escolha da frequência PWM correta, ciclo de trabalho e tempo de subida, você ainda precisará usar as estratégias certas de gerenciamento térmico em sua placa. Com esses dois desafios em mente, vamos olhar alguns dos pontos mais importantes a serem observados no seu layout de PCB SMPS.

Gerenciamento Térmico

Um SMPS ideal dissiparia zero potência, embora isso não aconteça na realidade. Seu transistor de comutação (e transformador de entrada para conversão AC-DC) dissipará a maior parte da potência como calor. Mesmo que a eficiência possa ultrapassar 90% em topologias de fornecimento de comutação, os MOSFETs de potência ainda podem dissipar calor significativo durante a comutação. A prática comum aqui é colocar dissipadores de calor nos componentes críticos de comutação; certifique-se de conectá-los de volta ao seu plano de terra para evitar uma nova fonte de EMI.

Em fontes de alimentação de alta tensão/corrente, esses dissipadores de calor podem ser bastante grandes. Você pode dar um impulso extra de resfriamento ao seu sistema montando um ventilador no gabinete. Novamente, certifique-se de seguir as melhores práticas em relação à alimentação deste ventilador para evitar novos problemas de EMI.

Algumas Dicas de Layout de PCB SMPS

Seu Empilhamento de PCB

Seu layout ajudará de alguma forma com o gerenciamento térmico, mas é um determinante maior da suscetibilidade a EMI. O ruído conduzido é normalmente tratado usando circuitos de filtro EMI nos circuitos de entrada e saída. Como muitos problemas de EMI em sistemas de alta velocidade/frequência, seu empilhamento será o principal determinante da imunidade a EMI radiada.

As frequências relevantes nas quais o SMPS funcionará estão em qualquer lugar de ~10 kHz a ~1 MHz, então a EMI radiada induzirá ruído indutivamente. Portanto, você quer colocar o plano de terra em seu empilhamento diretamente sob a camada superficial com todos os seus componentes de potência. Isso garantirá baixa indutância de loop para circuitos na camada superficial. Qualquer sinal de ruído induzido que se propague para a saída normalmente será removido através de filtragem na saída.

Há algumas objeções em colocar terra abaixo ou próximo a bobinas (indutor, transformador ou filtro de modo comum) no layout da sua PCB. A razão é que a capacitância de enrolamento em uma bobina pode acoplar corrente de um plano de terra de volta para a bobina, criando ruído de modo comum que é uma fonte de EMI. É muito importante rastrear os caminhos de retorno no seu layout para prevenir o acoplamento de ruído de modo comum, uma tarefa que é auxiliada com a ferramenta de solução de campo adequada.

Ruído Transitório

Os transientes são um problema mais difícil de resolver, pois estão relacionados ao seu empilhamento, roteamento, presença de vias e desacoplamento insuficiente/impedância excessiva. Assim como acontece no design de alta velocidade, não roteie nenhum cobre que carregue um sinal de comutação sobre um intervalo no plano de terra, pois isso criará algum tipo de estrutura de antena que pode irradiar fortemente em transientes. Esses transientes tendem a ser de alta frequência (de dezenas a centenas de MHz).

O problema com o ruído transitório é um problema de gerenciamento de impedância. Alta impedância leva a uma forte oscilação de tensão. Os componentes devem ser colocados com os padrões de terra corretos para minimizar a impedância na rede de distribuição de energia da placa. Exemplos de bons e maus terras para seus componentes são mostrados abaixo.

Finalmente, é melhor não deixar ilhas isoladas no seu layout. Conecte quaisquer ilhas de alimentação que possam conter circuitos de controle ou componentes passivos de volta ao plano de terra com capacitores de desacoplamento. Tenha cuidado com a colocação de vias nestas situações, pois você não quer criar uma ranhura ou fenda não intencional no seu plano de terra.

Mais sobre o Design de SMPS de Alta Tensão

Se você tem interesse em um circuito de driver de tensão moderada para alimentar LEDs de alta intensidade, dê uma olhada neste artigo de Mark Harris. Há também a questão de determinar a melhor frequência de comutação a ser usada no seu SMPS. Isso pode ser um problema de otimização difícil de resolver, mas você pode chegar muito mais perto se entender o comportamento de comutação do seu MOSFET quando acionado com um sinal PWM. Eu discuti este ponto em um artigo recente. Finalmente, veja nosso conselho sobre projetar placas de alta tensão (incluindo um SMPS) de acordo com os padrões IPC.

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