Diretrizes para o Layout de PCB para Fontes de Alimentação e Reguladores Chaveados

Fontes de alimentação e reguladores podem ter todos os tipos de formas e tamanhos. Embora normalmente sejam discutidos como produtos diferentes, eles são equivalentes do ponto de vista elétrico, particularmente os reguladores chaveados. De uma perspectiva de sistema de alto nível, a seção de regulador chaveado em uma fonte de alimentação e o circuito regulador real desempenham as mesmas funções dentro do mesmo diagrama de blocos.

Para uma fonte de alimentação, é simplesmente uma questão de escala e de como o regulador se integra com outros blocos de conversão de energia no sistema. A seção de regulador chaveado em uma fonte de alimentação, e o circuito de regulador chaveado em uma PCB, devem ser projetados sob as mesmas diretrizes gerais para garantir uma operação com baixo ruído.

Nas seções seguintes, quero focar brevemente em como fontes de alimentação e reguladores são diferentes, embora isso já deva estar claro para a maioria dos projetistas. Uma fonte de alimentação vai (ou deveria) incluir um regulador de energia, mas um regulador pode ser um circuito independente que não faz parte do que poderíamos chamar de fonte de alimentação. Para uma fonte de alimentação e para uma PCB com um regulador integrado, o layout do regulador chaveado será um grande determinante do desempenho geral do sistema. Portanto, vamos olhar principalmente para algumas diretrizes de layout para fontes de alimentação chaveadas em termos de layout de regulador.

Diretrizes de Layout de Sistema para Fontes de Alimentação Chaveadas

Antes de olharmos para a seção reguladora de uma fonte de alimentação chaveada, devemos primeiro observar um diagrama de blocos de alto nível de todo o sistema. Se você está projetando uma unidade de fonte de alimentação, então toda a unidade terá a topologia mostrada abaixo. Isso é especialmente importante para uma fonte de alimentação que irá receber energia AC de uma tomada de parede.

O diagrama de blocos acima poderia ser implementado em várias placas, embora seja comum colocar tudo em uma única placa para deixar espaço para grandes transformadores, dissipadores de calor, ventiladores e suportes mecânicos, especialmente para fontes de alimentação de alta tensão/corrente. Se você está projetando um pequeno regulador para uma placa que será conectada a uma unidade de fonte de alimentação, então você estará trabalhando dentro da topologia acima de qualquer maneira, você apenas terá uma ligação de terra entre o regulador de saída e o seu novo regulador. Novamente, isso é comum para fontes de alimentação de alta corrente.

Existem alguns outros pontos para discutir no diagrama acima:

Isolamento Galvânico

No diagrama de blocos acima, temos três regiões de terra separadas, unidas novamente com capacitores. Não siga cegamente esta diretriz com capacitores: não existe uma única técnica de aterramento de PCB que aborde todas as fontes de ruído e você deve ter cuidado com o uso acima de capacitores. Isso é mostrado para ilustrar um método de garantir um potencial de terra consistente em todas as regiões de terra; este é um método recomendado para aterramento em sistemas Ethernet industriais. A ideia aqui é bloquear qualquer potencial DC que possa se desenvolver entre duas seções de terra

O perigo aqui é a criação de loops de terra e ruído em modo comum, que devem então ser filtrados. Unir as terras dessa maneira é basicamente o que é feito quando você tem um chassis metálico, enquanto invólucros de plástico deixarão as terras isoladas. Isso se torna complicado e requer um cuidadoso projeto de circuito e layout de PCB para ainda passar em todos os testes de EMC.

Estágio de Saída

A isolação galvânica no estágio de saída não é necessária; isso depende da topologia do regulador DC (veja o conversor flyback para um bom exemplo). Também é comum colocar um circuito de filtro EMI condutivo ou um indutor de modo comum na saída para suprimir correntes de modo comum que alcançam os circuitos de carga. Além desses pontos, o estágio regulador de saída será projetado usando as melhores práticas para a topologia de regulador específica. Abaixo, vou cobrir essas ideias mais amplas sobre o layout do regulador.

O estágio de saída da unidade de fornecimento de energia pode não ser o regulador final no sistema. Em vez disso, pode alimentar outro regulador ou série de reguladores, cada um dos quais fornecerá uma tensão definida em alguma corrente máxima a um grupo de componentes. Novamente, isso pode ser feito em uma única placa, ou em várias placas (uma para o fornecimento de energia, outra para os estágios reguladores):

A árvore de potência acima mostra reguladores em paralelo (em cadeia), mas estes também podem ser cascata em uma topologia de árvore. Este mapeamento da corrente em sua PDN é bastante útil, pois ajuda você a traçar rapidamente quanto de corrente cada estágio regulador a jusante contribuirá para a corrente total na PDN. A corrente total e as correntes individuais determinarão então o tamanho dos trilhos de potência ou plano de potência necessário para transportar corrente suficiente para cada seção no sistema.

Organizando Cada Bloco de Circuito

Agora que podemos ver a arquitetura geral do sistema, podemos ter uma ideia de como organizar cada bloco de circuito em uma fonte de alimentação comutada e o sistema geral para garantir baixa EMI e segurança. Pense no diagrama de blocos inteiro ao criar seu layout de PCB:

• Layout em seções: Assim como outras placas com múltiplos blocos funcionais, tente organizar a placa da fonte de alimentação em seções. Está tudo bem fazer isso de forma linear, progredindo da entrada para a saída no diagrama de blocos.
• Planeje o layout com feedback: Às vezes, como em reguladores de alta corrente de precisão, você terá algum feedback entre as seções. Use optoacopladores para transpor a lacuna de terra entre cada seção.
• Siga os caminhos de retorno de terra: Se existe alguma diretriz universal no design de PCBs, provavelmente é "siga o seu caminho de retorno de terra". Para fontes de alimentação, isso é crítico para identificar locais onde correntes de modo comum podem se desenvolver e para garantir baixas indutâncias de loop em cada seção da fonte.
• Preste atenção em trilhas de alta corrente e alta tensão: Projetar para alta tensão e alta corrente às vezes se misturam. A diferença de potencial máxima entre dois condutores determinará o espaçamento mínimo entre eles (veja IPC-2221), e a corrente que um condutor carrega determinará sua largura necessária para garantir baixa temperatura (veja IPC-2152 para camadas internas ou para camadas externas).

Ao trabalhar na parte do design da Rede de Distribuição de Energia (PDN), você também deve pensar em como cada seção será aterrada e como os aterramentos podem ser interligados para fornecer um potencial de referência consistente. Isso é bastante importante para prevenir a Interferência Eletromagnética (EMI), como eu aludi anteriormente. Isso deve ser feito antes de começar a trabalhar no layout da PCB.

Dicas de Layout para Reguladores de Comutação de Fonte de Alimentação

Uma vez que você selecionou os componentes para o regulador, criou esquemáticos e projetou uma estratégia de aterramento/distribuição de energia, você pode começar a pensar na disposição da PCB. A disposição da PCB para um regulador de potência chaveado é toda sobre compensações: você precisa equilibrar o dimensionamento do condutor versus os requisitos de distância de segurança, mas precisa que as coisas sejam compactas.

Publicamos vários guias neste blog sobre a disposição de topologias específicas de reguladores. Em vez de passar por todas essas possibilidades, a lista abaixo mostra algumas diretrizes gerais que se aplicarão no seu sistema.

1. Sempre implemente regras mínimas de distância de segurança e largura de trilha para o seu sistema.
2. Mantenha quaisquer linhas de feedback para detecção de tensão/corrente curtas com o roteamento mais direto possível.
3. Você provavelmente terá que agrupar alguns componentes de controle e detecção ao redor dos seus CI de driver e controlador, então certifique-se de fazer conexões curtas entre eles; é aceitável agrupar esses componentes em uma área apertada (veja abaixo).
4. Considere cobre espesso ou até uma PCB de núcleo metálico se você está projetando para alta corrente.
5. Não tenha medo de usar polígonos como pads de montagem para componentes ou conectores. Tenha cuidado com a ligação direta a um plano, pois você pode precisar de alívios térmicos.
6. Embora os reguladores possam ter uma eficiência muito alta, eles ainda podem esquentar. Certifique-se de reservar espaço no layout para quaisquer dissipadores de calor (se houver) em ICs. Outra opção é usar um material de interface térmica.

As diretrizes específicas de layout para o seu regulador de comutação dependerão da topologia, quantidade de componentes, presença de feedback e estratégia de aterramento. Esperamos que você tenha pensado em aterramento para prevenir EMI e fornecer qualquer isolamento necessário antes de começar o layout da sua PCB. Para ver algumas diretrizes mais específicas para o seu regulador específico, dê uma olhada em alguns destes outros recursos:

• Como Projetar um Regulador de Tensão Boost
• Fontes de Alimentação Isoladas vs Não Isoladas: A Escolha Certa Sem Falhas
• Projeto e Layout de PCB para Conversor Ressonante LLC
• Regulador de Tensão de Baixo Ruído, Baixa EMI

O Que Não Cobrimos?

Obviamente, há muito a considerar na lista acima de diretrizes de layout para fontes de alimentação comutadas e circuitos reguladores. Então, o que está faltando? Há alguns aspectos críticos da regulação e entrega de energia que não estão presentes na discussão acima:

• Impedância da Rede de Distribuição de Energia (PDN): Se você não está projetando com componentes de alta velocidade/alta frequência, provavelmente não precisa se preocupar com a impedância da PDN. Apenas certifique-se de usar trilhas de alimentação largas e bastante blindagem de terra. Se você está projetando para alta velocidade/alta frequência, então uma baixa impedância da PDN é muito importante para suprimir ondulações, o que normalmente é alcançado com muitos capacitores de desacoplamento e alta capacitância interplana.
• EMI da fonte de alimentação: Eu mencionei isso acima. Sempre que você criar um layout de PCB, deve pensar em garantir baixa EMI, mas há muito que entra na supressão de EMI e na aprovação dos testes de EMC além do roteamento de baixa indutância de loop. Discutirei alguns desses pontos em um artigo dedicado à EMI da fonte de alimentação.
• Alimentação analógica: Aqui, estamos olhando para conversores chaveados como normalmente discutido no contexto de ICs digitais. E quanto aos componentes analógicos? Suas necessidades de energia podem ser bastante diferentes. ICs digitais que fornecem um sinal analógico/RF normalmente farão isso internamente. No entanto, existem LDOs especializados (por exemplo, NCP161BMX280TBG) ou reguladores chaveados (por exemplo, LTC3388IMSE-1).

Há também a questão da seleção de componentes, como a seleção de indutores para garantir baixa EMI e acoplamento de ruído de modo comum, bem como para garantir baixa corrente de ondulação. O último ponto na lista acima também é bastante importante porque circuitos puramente analógicos não terão o mesmo estilo de layout que um regulador de potência ou fonte de alimentação embutida para sistemas digitais. Uma vez que você está trabalhando em frequências extremamente altas, os problemas de fornecimento de energia RF são mais difíceis de gerenciar devido à capacitância parasita, similar ao que é visto em circuitos amplificadores instáveis. Este é outro tópico que eu adoro, mas deixarei para um post diferente no blog.

Com as melhores ferramentas de design de PCB em Altium Designer®, você pode implementar as diretrizes de layout para fontes de alimentação chaveadas que eu delineei aqui. Você também terá as ferramentas necessárias para encontrar reguladores ICs, componentes para circuitos reguladores maiores e outros componentes para o seu sistema. Para cálculos mais avançados envolvendo EMI conduzida ou irradiada, os usuários do Altium Designer podem usar a extensão EDB Exporter para importar seu design para os solucionadores de campo da Ansys. Este par de aplicativos de solucionador de campo e design ajuda você a verificar seu layout antes de começar uma rodada de prototipagem.

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