Diretrizes de Design de PCB para Fonte de Alimentação com Modo Chaveado

Os projetistas de fontes de alimentação entendem os detalhes técnicos complexos e os requisitos funcionais envolvidos com o layout de uma PCB de fonte de alimentação em modo comutado. O layout determina a suscetibilidade à interferência eletromagnética (EMI), o comportamento térmico, a integridade da energia e a segurança. Um bom layout garante uma conversão de energia de alta eficiência e entrega a uma carga, permitindo o transporte de calor para longe dos componentes quentes no layout, e garante baixa acoplagem de ruído ao redor de um sistema eletrônico. A segurança também é um fator importante em reguladores comutados, que podem fornecer alta corrente a uma saída, criando um risco de segurança.

Escolhas ruins de layout introduzem problemas que ocorrem em níveis de alta corrente e se tornam óbvios com grandes diferenças entre as tensões de entrada e saída. Problemas comuns de fonte de alimentação vistos com um layout de PCB ruim incluem perda de regulação em alta corrente de saída, ruído excessivo na saída e nas formas de onda de comutação, e instabilidade do circuito. Com uma combinação de ferramentas de simulação de integridade de energia DC, recursos de simulação e análise de circuitos, e o melhor conjunto de utilitários de layout e roteamento, os projetistas podem garantir que seu dispositivo será seguro e confiável. O Altium Designer oferece software de layout de PCB de fonte de alimentação e muito mais que ajuda a prevenir esses problemas.

ALTIUM DESIGNER

Software de design de PCB que ajuda você a seguir as diretrizes de layout de PCB de fonte de alimentação em modo comutado.

As fontes de alimentação enfrentam uma série de desafios e requerem um conjunto completo de recursos de design e análise para garantir que operem corretamente. Esses designs também podem criar riscos de segurança que podem prejudicar os usuários, tanto pela exposição a alta tensão quanto por uma descarga súbita de corrente no usuário. Como os designers podem garantir que possam construir fontes de alimentação seguras, precisas e confiáveis?

As fontes de alimentação comutadas são padrão para converter entre corrente alternada retificada de alta corrente e alta tensão por meio do uso de um elemento de comutação de energia em um circuito reativo. Esses componentes são não lineares e muitas vezes usam feedback para manter a regulação, em contraste com o regulador LDO típico. Em um LDO, a regulação é mantida através da saturação de um amplificador de erro, criando perdas resistivas que são vistas como calor no layout da PCB.

Embora os reguladores comutados sejam preferidos do ponto de vista de regulação e eficiência, eles podem ser difíceis de projetar, pois envolvem mais componentes, alguns dos quais terão parasitas maiores e podem ser suscetíveis a problemas de ruído se não forem dispostos adequadamente. Para começar com o layout da sua próxima fonte de alimentação, siga estas diretrizes de layout de PCB para fonte de alimentação comutada para que você possa garantir que seu design seja confiável.

Iniciando Seu Layout de PCB para SMPS

Existem algumas regras básicas de layout de PCB para SMPS a seguir que ajudarão a garantir que seu projeto tenha baixos problemas de ruído, baixa EMI irradiada e mantenha-se em baixa temperatura. De forma ampla, essas diretrizes podem ser resumidas da seguinte forma:

• Tente manter a EMI baixa definindo adequadamente o terra, colocando rotas curtas no layout do PCB e organizando seções galvanicamente isoladas no PCB de tal forma que não haja acoplamento de ruído.
• Faça uso de circuitos de filtro EMI de entrada e saída apropriados quando necessário, se houver ruído no layout, recursos como rastreamento de envelope forem necessários, ou fontes específicas de ruído estiverem causando problemas no projeto.
• Use bastante cobre para fornecer um caminho para a dissipação de calor longe dos componentes importantes. Se necessário, você pode considerar um design de invólucro único, bem como dissipadores de calor ou ventiladores em componentes quentes.
• Posicione circuitos de comutação rápida e de alta corrente, como arrays de MOSFET, de modo que não haja oscilações parasitas no projeto durante eventos de comutação.

Órgãos reguladores como a Underwriter Laboratories e a IEC testam fontes de alimentação quanto à interferência eletromagnética irradiada (EMI), EMI conduzida, estabilidade, eficiência e vida útil operacional. Regulamentos da FCC e CE também estabelecem limites para emissões de fontes de alimentação comutadas, pois esses dispositivos podem ser radiadores não intencionais. O Altium Designer oferece as ferramentas de análise de circuito de que você precisa para aprender mais sobre o comportamento elétrico do seu dispositivo, e as ferramentas de layout de PCB podem ajudá-lo a criar um layout que satisfaça os requisitos acima, considerando suas especificações elétricas simuladas.

Seja Cuidadoso ao Definir o Terra

A primeira diretriz de layout de PCB de fonte de alimentação comutada a considerar é como definir o terra no layout. Ao projetar seu circuito de fonte de alimentação comutada, lembre-se de que existem cinco pontos de terra. Estes podem ser separados em diferentes condutores para garantir a isolamento galvânico. Estes são:

• Terra de fonte de alta corrente
• Terra de loop de corrente de alta corrente
• Terra de retificador de alta corrente
• Terra de carga de alta corrente
• Terra de controle de baixo nível

Cada uma dessas conexões de terra pode existir em condutores fisicamente separados, dependendo da necessidade de isolamento galvânico no conversor, retificador ou circuito regulador. Seu circuito de fornecimento de energia pode admitir ruído de modo comum se os terras estiverem acoplados capacitivamente, como pode ocorrer comumente através de uma caixa condutiva próxima. As regiões de terra em uma PCB devem ser claramente definidas de cada lado dos componentes isolantes, como

Se, por algum motivo, for necessário interligar os terras para eliminar algum deslocamento de CC, um capacitor classificado Y é a melhor opção, pois isso fornece filtragem de alta frequência e elimina o deslocamento de CC entre as regiões de terra.

Cada terra de alta corrente serve como uma das pernas dos loops de corrente, mas deve ser projetado para fornecer um caminho de retorno de baixa impedância para as correntes. Isso pode exigir múltiplos vias de volta ao plano de terra para admitir alta corrente com baixa indutância equivalente. Esses pontos e o potencial no qual eles se situam em relação ao terra do sistema tornam-se o ponto para medir os sinais DC e AC que conduzem entre diferentes pontos do circuito. Devido à necessidade de impedir que o ruído dos terras AC de alta corrente escape, o terminal negativo do capacitor de filtro apropriado serve como o ponto de conexão para os terras de alta corrente.

A melhor prática para definir regiões de terra é usar grandes planos ou preenchimento poligonal. Essas regiões fornecem caminhos de baixa impedância para dissipar ruídos longe da saída DC e podem lidar com altas correntes de retorno. Elas também fornecem um caminho para o transporte de calor longe de componentes importantes quando necessário. Colocar um plano de terra em ambos os lados absorve EMI irradiada, reduz ruídos e diminui erros de loop de terra. Enquanto trabalham como escudos eletrostáticos e dissipam EMI irradiada dentro de correntes de Foucault, os planos de terra também separam os traços de energia e componentes do plano de energia dos componentes do plano de sinal. As ferramentas CAD do Altium Designer facilitam a definição de terras em seu layout de PCB e colocar grandes condutores para usar como regiões de terra em seu PCB. Especialmente ao trabalhar com fontes de alimentação chaveadas, você pode usar um plano de terra em ambos os lados do PCB e interligá-los com vias para garantir um potencial consistente em suas terras.

• Regiões de terra em um projeto podem receber múltiplos nomes dependendo de sua função. Tenha cuidado ao definir regiões de terra em seu projeto e certifique-se de interligá-las adequadamente.
  Saiba mais sobre aterramento de terra, digital e analógico para placas de circuito.
• As planícies de terra são importantes em sistemas além dos layouts de PCB de fornecimento de energia. Certifique-se de definir conexões para ter baixa impedância sem afetar a montagem.
  Aprenda mais sobre como criar uma planície de terra dentro do Altium Designer.
• O ruído de modo comum e o ripple conduzido são as principais fontes de ruído em um layout de PCB e podem fazer com que um design falhe nos testes de EMI quando o ruído é extremo.
  Aprenda mais sobre EMI em fontes de alimentação e algumas etapas para reduzi-lo.

Editor Esquemático Auxilia o Layout

Aterramento é um ponto importante para começar o design, pois determinará a imunidade a ruídos e a roteabilidade do layout do PCB. No entanto, não é a única consideração no design de fontes de alimentação. A ação de comutação e a supressão de EMI são incorporadas às fontes de alimentação e precisam ser claramente definidas no PCB.

Onde Fazer Conexões de Terra

A capacidade do controlador SMPS de regular precisamente a tensão de saída depende da conexão do terra de controle de baixo nível. Ao trabalhar com circuitos integrados, capacitores de entrada, capacitores de saída e diodos de saída, certifique-se de que os componentes se conectem a um plano de terra. A conexão de terra se liga a um ponto onde o circuito integrado de controle e sua circuitaria associada medem a corrente AC, corrente DC, a tensão de saída e outros parâmetros principais. Conectar o terra de baixo nível ao lado inferior do resistor de detecção de corrente ou ao divisor de tensão de saída impede que o circuito de controle sinta ruídos de modo comum.

Projetando Ação de Comutação

Um SMPS opera alternando rapidamente as unidades de passagem entre o estado de operação de corte e o estado de saturação e entregando energia constante a uma carga de saída. No corte, existe alta tensão através da unidade de passagem, mas não flui corrente. Na saturação, uma alta corrente flui através da unidade de passagem com uma queda de tensão muito pequena. Como o interruptor semicondutor cria uma tensão AC a partir da tensão de entrada DC, o SMPS pode aumentar ou diminuir a tensão com transformadores e, em seguida, filtrar a tensão de volta para DC na saída.

As fontes de alimentação comutadas moduladas por largura de pulso (PWM) operam em modo direto ou em modo de elevação. As fontes em modo direto possuem um filtro L-C na saída que cria uma tensão de saída DC a partir da média de tempo-voltagem da saída obtida do filtro. Para controlar a média de tempo-voltagem do sinal, o controlador da fonte de alimentação comutada altera o ciclo de trabalho da tensão retangular de entrada.

Conversor Buck vs. Conversor Boost

O modo de fornecimento do conversor Boost conecta um indutor diretamente através da fonte de tensão de entrada quando o interruptor de alimentação é ativado. A corrente do indutor aumenta de zero e atinge seu pico simultaneamente com o desligamento do interruptor de alimentação. Um retificador de saída limita a tensão de saída do indutor e impede que a tensão exceda a tensão de saída da fonte. Quando a energia armazenada no núcleo do indutor é transferida para o capacitor de saída, o terminal comutado do indutor volta ao nível da tensão de entrada.

Enquanto isso, o modo de conversor buck utiliza os mesmos componentes, mas em uma topologia diferente para limitar a força eletromotriz (FEM) reversa do indutor a um nível inferior à tensão de entrada. A ação de comutação proporciona o mesmo efeito que em um conversor boost, onde a corrente de saída oscila em competição com um capacitor que carrega e descarrega, possibilitando assim a regulação da potência de saída. Ambos os tipos de topologias de regulador/conversor permitirão que o ruído de comutação se propague para os portos de saída no design, o que pode ser visto como um ripple de alta frequência na saída.

O Roteamento da Fonte de Alimentação Ajuda a Garantir Operação de Baixo Ruído

As fontes de alimentação comutadas conduzem ruído de alta frequência até que a frequência do ruído atinja aproximadamente 100 vezes a frequência de comutação. Então, a frequência do ruído diminui a uma taxa de -20 a -40 dB por década. Como os reguladores comutados operam com estados de energia "ligado" e "desligado", grandes pulsos de corrente com bordas acentuadas fluem dentro do circuito da fonte de alimentação comutada e—como resultado—criam EMI. A transição entre os estados de energia LIGADO e DESLIGADO cria EMI, que pode ser induzida em outros lugares do seu sistema se os loops de corrente no layout da fonte de alimentação forem muito grandes. Os circuitos de fonte de alimentação comutada consistem em um loop de chave de alimentação e loops de retificador de saída, e estes precisam ser roteados adequadamente para evitar ruído excessivo.

Ao projetar o layout da fonte de alimentação, preste atenção específica à circunferência dos loops e ao comprimento e largura das trilhas. Manter a circunferência do loop pequena elimina a possibilidade de o loop funcionar como uma antena de ruído de baixa frequência. Do ponto de vista da eficiência do circuito, trilhas mais largas também fornecem dissipação de calor adicional para os interruptores de potência e retificadores. Você pode usar o motor de roteamento active route para alcançar resultados de roteamento humanos e organizar seus componentes para permitir que os loops de corrente de comutação conduzam na mesma direção. Com os loops de corrente conduzindo na mesma direção, a circuitaria de controle acopla-se a pontos específicos no layout. Como resultado, o campo magnético não pode se reverter ao longo das trilhas localizadas entre os dois meio-ciclos e gerar EMI irradiado.

• As ferramentas de roteamento do Altium Designer ajudam você a colocar facilmente polígonos para linhas de alta corrente/alta tensão, ou trilhas mais finas para linhas de dados e controle.
  Saiba mais sobre como rotear o layout da sua fonte de alimentação no Altium Designer.
• Ao trabalhar com o layout da fonte de alimentação, mantenha as trilhas que lidam com correntes de comutação alta curtas, diretas e grossas. Os padrões IPC podem ser usados para calcular larguras de trilha recomendadas, embora uma regra geral seja uma largura mínima de 15 mils por Ampere.
  Saiba mais sobre como calcular a largura da trilha para garantir uma alta capacidade de condução de corrente.
• Os filtros EMI dentro do SMPS suprimem ruídos de alta frequência causados pelas correntes de alta frequência conduzidas na fiação de entrada e saída DC. Você pode usar os preços e disponibilidade de componentes integrados e os links para fichas técnicas encontrados nas Bibliotecas e no Altium Content Vault para projetar filtros que ofereçam os melhores resultados.
  Aprenda mais sobre circuitos de filtro EMI no layout da sua PCB.

Dicas de Layout de PCB para Nós de Tensão AC em SMPS

Dependendo da configuração do SMPS, os nós de tensão AC existem no dreno do MOSFET de potência ou no coletor de um BJT e nos ânodos dos retificadores de saída. Cada um desses nós pode ter altas tensões AC. Como exemplo, a tensão AC de pico a pico encontrada no dreno do MOSFET pode medir uma a duas vezes a tensão de entrada. Com o dreno fixado a um dissipador de calor através de um isolador, o dissipador de calor aterrado fornece um caminho para o ruído acoplado capacitivamente. Você pode usar as ferramentas de layout de PCB encontradas no Altium Designer para colocar sinais suscetíveis no mesmo lado, em vez de abaixo de um nó AC barulhento. Além disso, você pode cruzar qualquer plano de terra localizado sob o nó para eliminar o ruído.

Ambientes de montagem superficial possuem valores menores de capacitância, mas podem acoplar ruído em sinais sensíveis. Devido a esses fatores, seu layout também precisa abordar a possibilidade de acoplamento capacitivo das tensões dos nós AC em dissipadores de calor ou planos de terra adjacentes. Ao projetar um layout de PCB de montagem superficial, faça com que os nós sejam grandes o suficiente para servir como dissipadores de calor para o interruptor de energia ou retificador. Alguns designs multicamadas aumentam a massa térmica do design fazendo com que todas as camadas abaixo do nó AC sejam idênticas ao nó AC e conectando as camadas com furos passantes metalizados.

Altium Designer Oferece um Conjunto Completo de Ferramentas de Design e Layout

O conjunto completo de recursos de design e layout de PCB no Altium Designer oferece as ferramentas de que você precisa para criar sistemas de energia confiáveis e seguros. Você também pode criar e simular topologias importantes de circuitos de fornecimento de energia e filtros EMI que podem ser usados em qualquer aplicação, variando de sistemas DC de alta potência a sistemas AC de alta frequência. O plug-in PDN Analyzer para Altium Designer fornece os melhores recursos para sua análise de corrente e tensão DC do circuito. Projetar um layout de PCB para uma fonte de alimentação comutada pode parecer assustador, mas o Altium Designer oferece as ferramentas que descomplicam a complexidade do fornecimento de energia em tarefas facilmente compreensíveis.

• O Altium Designer oferece tudo o que você precisa para transformar suas ideias em realidade. Você pode construir desde circuitos MOSFET simples até designs avançados de fontes de alimentação RF no Altium Designer.
  Saiba mais sobre as ferramentas integradas de design de PCB do Altium Designer.
• A extensão PDN Analyzer no Altium Designer permite que os usuários analisem a saída de suas fontes de alimentação com simulações de integridade de energia DC padrão da indústria.
  Saiba mais sobre o plugin PDN Analyzer para Altium Designer.
• Todos os usuários do Altium Designer podem compartilhar seus designs de fontes de alimentação através da plataforma Altium 365. As equipes de design usam o Altium 365 para permanecer produtivas e compartilhar dados de design em um ambiente de nuvem seguro.
  Saiba mais sobre como compartilhar seus dados de design de PCB no Altium 365.

O objetivo da Altium sempre foi fornecer aos usuários uma experiência de design simplificada em uma interface de design unificada. O editor de esquemáticos, editor de PCB, pacote de simulação SPICE, recursos de roteamento e ferramentas de simulação no Altium Designer oferecem tudo o que você precisa para construir fontes de alimentação seguras, confiáveis e livres de ruído. Quando você precisa de um conjunto completo de ferramentas de criação e gerenciamento de componentes, use as melhores utilidades ECAD da indústria para criar e simular seus designs.

Altium Designer no Altium 365 oferece uma quantidade sem precedentes de integração para a indústria eletrônica, até então relegada ao mundo do desenvolvimento de software, permitindo que os designers trabalhem de casa e alcancem níveis de eficiência sem precedentes.

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