Разводка печатной платы SMPS для высокого напряжения для минимизации тепла и шума

Независимо от того, выполняете ли вы преобразование AC-DC или DC-DC, схемы коммутационных источников питания являются обычным явлением в дизайне высокого напряжения и должны быть сконструированы с осторожностью. Хотя эта система довольно распространена, она легко излучает ЭМИ из-за быстрых изменений напряжения и тока во время коммутации. Дизайнерам редко удается адаптировать существующие конструкции к новым системам, поскольку незначительное изменение в одной области может создать проблему с ЭМИ, которую сложно диагностировать.

С правильным выбором компоновки и трассировки вы можете предотвратить превращение шума в значительную проблему на выходе вашего SMPS. Преобразователи низкого напряжения можно приобрести в виде ИС с различными форм-факторами, но преобразователи высокого напряжения придется производить из дискретных компонентов на специализированной плате. Вот несколько важных советов по компоновке печатной платы SMPS, которые помогут вам охладить компоненты и предотвратить проблемы с шумом в вашей системе.

Проблемы с шумом и перегревом в вашей компоновке печатной платы SMPS

Нельзя избежать: любой SMPS будет производить умеренно высокочастотный шум из-за коммутационного действия транзисторного драйвера. По сути, вы заменяете низкочастотные пульсации (например, от двухполупериодного выпрямителя во время преобразования AC-DC) на высокочастотный коммутационный шум. Хотя это преобразование обеспечивает более стабильный выход DC, все же остается вопрос о двух важных источниках шума:

• Прямой шум от переключающего элемента.
• Переходной шум в других местах системы.

Шум может появляться на выходе блока питания с импульсной модуляцией (SMPS) как проводимый шум, так и излучаемый шум. Хотя причину каждой проблемы может быть сложно диагностировать, различить эти два типа шума может быть довольно просто. Другой вызов при проектировании печатной платы SMPS - это тепло, генерируемое на плате. Хотя это можно корректировать выбором правильной частоты ШИМ, рабочего цикла и времени нарастания, вам все равно придется использовать правильные стратегии термического управления на вашей плате. Имея в виду эти две проблемы, давайте рассмотрим некоторые важные моменты, на которые следует обратить внимание при разработке печатной платы SMPS.

Термическое управление

Идеальный SMPS будет рассеивать нулевую мощность, хотя на практике это не происходит. Ваш переключающий транзистор (и входной трансформатор для преобразования AC-DC) будет рассеивать основную часть мощности в виде тепла. Несмотря на то что эффективность может превышать 90% в топологиях импульсных источников питания, мощные MOSFET-транзисторы все еще могут рассеивать значительное количество тепла во время переключения. Обычная практика здесь - установка радиаторов на критически важные переключающие компоненты; обязательно соедините их с вашей земляной плоскостью чтобы предотвратить появление нового источника ЭМИ.

В источниках питания высокого напряжения/высокого тока эти радиаторы могут быть довольно большими. Вы можете дополнительно усилить охлаждение системы, установив вентилятор на корпус. Опять же, убедитесь, что вы следуете лучшим практикам в отношении подключения этого вентилятора, чтобы предотвратить появление новых проблем с ЭМП.

Некоторые советы по размещению компонентов на печатной плате SMPS

Ваша структура печатной платы

Ваше размещение компонентов поможет в некоторой степени с термическим управлением, но это играет большую роль в восприимчивости к ЭМП. Проводимые помехи обычно устраняются с помощью схем фильтров ЭМП на входных и выходных цепях. Как и многие проблемы с ЭМП в системах высокой скорости/высокой частоты, ваша структура будет основным фактором, определяющим устойчивость к излучаемым ЭМП.

Соответствующие частоты, на которых будет работать SMPS, находятся в диапазоне от ~10 кГц до ~1 МГц, поэтому излучаемые ЭМП будут индуктивно вызывать помехи. Поэтому вы хотите разместить земляную плоскость в вашей структуре непосредственно под поверхностным слоем со всеми вашими компонентами питания. Это обеспечит низкую индуктивность петли для цепей на поверхностном слое. Любой индуцированный шумовой сигнал, который распространяется на выход, обычно удаляется через фильтрацию на выходе.

Есть некоторые возражения против размещения земли под катушками (индуктивностью, трансформатором или общим дросселем) или рядом с ними на вашей печатной плате. Причина в том, что емкость обмотки в катушке может связывать ток от земляного слоя обратно в катушку, создавая общий режим помех, который является источником ЭМИ. Очень важно отслеживать пути возврата в вашей компоновке, чтобы предотвратить связывание помех общего режима, задача, которая облегчается с правильным утилитом решения в области поля.

Переходные Процессы

Переходные процессы представляют собой более сложную проблему для решения, поскольку они связаны с вашей структурой слоев, трассировкой, наличием переходных отверстий и недостаточной развязкой/избыточным импедансом. Как и в случае с высокоскоростным дизайном, не прокладывайте медь, по которой проходит коммутируемый сигнал, через разрыв в земляном слое, так как это создаст некую антенную структуру, которая может сильно излучать на переходных процессах. Эти переходные процессы, как правило, имеют высокую частоту (от десятков до сотен МГц).

Проблема с переходными процессами заключается в управлении импедансом. Высокий импеданс приводит к сильным колебаниям напряжения. Компоненты должны быть размещены с правильными контактными площадками для минимизации импеданса в распределительной сети питания платы. Ниже показаны примеры хороших и плохих контактных площадок для ваших компонентов.

Наконец, лучше не оставлять изолированные островки на вашей плате. Соедините любые островки питания, которые могут содержать управляющие цепи или пассивные элементы, обратно с земляным слоем/земляной плоскостью с помощью развязывающих конденсаторов. Будьте осторожны с размещением переходных отверстий (виас) в этих случаях, так как вы не хотите создавать непреднамеренные вырезы или щели в вашей земляной плоскости.

Больше о дизайне высоковольтных SMPS

Если вас интересует схема драйвера среднего напряжения для питания светодиодов высокой интенсивности, обратите внимание на эту статью от Марка Харриса. Также важно определить лучшую частоту переключения для вашего SMPS. Это может быть сложной задачей оптимизации, но вы можете приблизиться к решению, если понимаете поведение переключения вашего MOSFET при управлении сигналом ШИМ. Я обсуждал этот вопрос в недавней статье. Наконец, ознакомьтесь с нашими советами по разработке высоковольтных плат (включая SMPS) в соответствии со стандартами IPC.

Функции проектирования схем и размещения в Altium Designer идеально подходят для создания печатной платы SMPS и симуляции ее поведения. Вы получите доступ к полному набору инструментов предварительной симуляции для проектирования схем, а также мощный анализатор PDN для обеспечения стабильного распределения энергии на вашей плате. Все эти функции доступны в единой среде проектирования, что помогает вам оставаться продуктивным и быстро создать ваш следующий продукт.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.