Руководство по размещению элементов на печатных платах для коммутационных источников питания и регуляторов

Источники питания и регуляторы могут быть самых разных форм и размеров. Хотя обычно они рассматриваются как разные продукты, с электрической точки зрения они эквивалентны, особенно переключающие регуляторы. С точки зрения системы высокого уровня, секция переключающего регулятора в источнике питания и собственно схема регулятора выполняют одни и те же функции в одной и той же блок-схеме.

Для источника питания это просто вопрос масштаба и того, как регулятор интегрируется с другими блоками преобразования мощности в системе. Секция переключающего регулятора в источнике питания и схема переключающего регулятора на печатной плате должны быть разработаны согласно общим рекомендациям, чтобы обеспечить работу с низким уровнем шума.

В следующих разделах я хочу кратко сосредоточиться на том, как источники питания и регуляторы отличаются, хотя это уже должно быть ясно большинству конструкторов. Источник питания будет (или должен) включать в себя регулятор мощности, но регулятор может быть самостоятельной схемой, которая не является частью того, что мы могли бы назвать источником питания. Для источника питания и для печатной платы с встроенным регулятором расположение переключающего регулятора будет важным фактором общей производительности системы. Поэтому мы в основном рассмотрим некоторые рекомендации по размещению для переключающих источников питания с точки зрения расположения регулятора.

Рекомендации по размещению системы для переключающих источников питания

Перед тем как рассматривать раздел регулятора в импульсном блоке питания, мы должны сначала взглянуть на блок-схему всей системы на высоком уровне. Если вы разрабатываете блок питания, то вся система будет иметь показанную ниже топологию. Это особенно важно для блока питания, который будет получать переменный ток из розетки.

Вышеуказанная блок-схема может быть реализована на нескольких платах, хотя обычно все компоненты размещают на одной плате, чтобы оставить место для больших трансформаторов, радиаторов, вентиляторов и механических креплений, особенно для блоков питания высокого напряжения/тока. Если вы разрабатываете маленький регулятор для платы, которая будет подключаться к блоку питания, тогда вы все равно будете работать в рамках указанной выше топологии, у вас просто будет соединение земли между выходным регулятором и вашим новым регулятором. Опять же, это обычно для блоков питания высокого тока.

Есть еще несколько моментов для обсуждения в приведенной выше диаграмме:

Гальваническая изоляция

На приведенной выше блок-схеме у нас есть три отдельные зоны заземления, соединенные вместе с помощью конденсаторов. Не следуйте этому руководству с конденсаторами слепо: не существует единого метода заземления печатной платы, который бы учитывал все источники помех, и вам следует быть осторожным с вышеупомянутым использованием конденсаторов. Это показано для иллюстрации одного из методов обеспечения постоянного потенциала заземления во всех зонах заземления; это один из рекомендуемых методов заземления в промышленных системах Ethernet. Здесь идея заключается в блокировке любого потенциала постоянного тока, который может возникнуть между двумя секциями заземления

. Опасность здесь заключается в создании петель заземления и общемодовых помех, которые затем необходимо фильтровать. Соединение заземлений таким образом по сути то же самое, что и при наличии металлического шасси, в то время как пластиковые корпуса оставят заземления изолированными. Это становится сложной задачей и требует тщательного проектирования схемы и размещения печатной платы, чтобы все же пройти все тесты на электромагнитную совместимость.

Выходной каскад

Гальваническая изоляция на выходном каскаде не требуется; это зависит от топологии регулятора постоянного тока (см. пример с преобразователем обратного хода). Также распространено использование схемы фильтра проводимых электромагнитных помех или дросселя общего режима на выходе для подавления токов общего режима, достигающих цепей нагрузки. Помимо этих моментов, выходной регулирующий каскад будет разрабатываться с использованием лучших практик для конкретной топологии регулятора. Ниже я рассмотрю эти более широкие идеи размещения регулятора.

Выходной каскад блока питания может не быть последним регулятором в системе. Вместо этого он может питать другой регулятор или серию регуляторов, каждый из которых будет обеспечивать установленное напряжение при некотором максимальном токе для группы компонентов. Опять же, это может быть выполнено на одной плате или на нескольких платах (одна для блока питания, другая для регулирующих каскадов):

Вышеуказанное дерево питания показывает регуляторы, соединенные параллельно (в каскаде), но они также могут быть соединены последовательно в топологии дерева. Это отображение тока в вашей PDN очень полезно, поскольку оно помогает вам быстро наметить, сколько тока каждая последующая стадия регулятора будет вносить в общий ток в PDN. Общий ток и индивидуальные токи затем определят размер силовых шин или силовой плоскости, необходимой для передачи достаточного тока в каждый раздел системы.

Размещение каждого блока схемы

Теперь, когда мы видим общую архитектуру системы, мы можем понять, как разместить каждый блок схемы в импульсном источнике питания и во всей системе, чтобы обеспечить низкое ЭМИ и безопасность. Подумайте о всей блок-схеме при создании вашей печатной платы:

• Размещение по секциям: Как и в случае с другими платами с несколькими функциональными блоками, попробуйте разместить плату источника питания по секциям. Это нормально, если делать это линейно, двигаясь от входа к выходу в блок-схеме.
• Планируйте размещение с обратной связью: Иногда, как в случае с точными регуляторами высокого тока, между секциями будет некоторая обратная связь. Используйте оптопары для преодоления разрыва земли между каждой секцией.
• Следуйте путям возврата по земле: Если есть какое-то универсальное правило в дизайне печатных плат, то это, вероятно, «следуйте вашему пути возврата по земле». Для источников питания это критически важно для определения мест, где могут возникать общие режимы токов, и для обеспечения низких индуктивностей петли в каждом секции питания.
• Обращайте внимание на шины высокого тока и высокого напряжения: Проектирование для высокого напряжения и высокого тока иногда переплетается. Максимальная разность потенциалов между двумя проводниками определит их минимальное расстояние друг от друга (см. IPC-2221), а ток, который проводник несет, определит его необходимую ширину для обеспечения низкой температуры (см. IPC-2152 для внутренних слоев или для внешних слоев).

Работая над разделом проектирования сети распределения питания, вы также должны подумать о том, как каждый раздел будет заземлен и как земли могут быть соединены вместе, чтобы обеспечить единый опорный потенциал. Это очень важно для предотвращения электромагнитных помех, как я упоминал выше. Это следует сделать до начала работы над компоновкой печатной платы.

Советы по компоновке коммутационного регулятора источника питания

После того, как вы выбрали компоненты для регулятора, создали схемы и разработали стратегию заземления/распределения питания, вы можете начать думать о размещении на печатной плате. Размещение на ПП для коммутируемого источника питания - это всегда компромисс: вам нужно найти баланс между размером проводников и требованиями к зазорам, но при этом все должно быть компактным.

Мы опубликовали множество руководств на этом блоге о размещении конкретных топологий регуляторов. Вместо того, чтобы рассматривать все эти возможности, ниже приведен список общих рекомендаций, которые будут применимы в вашей системе.

1. Всегда реализуйте минимальные правила зазора и ширины дорожек для вашей системы.
2. Держите любые линии обратной связи для измерения напряжения/тока короткими с наиболее прямым маршрутом.
3. Вероятно, вам придется сгруппировать некоторые управляющие и измерительные компоненты вокруг ваших драйверов и контроллеров ИС, поэтому убедитесь, что соединения между ними короткие; допустимо сгруппировать эти компоненты в плотной области (см. ниже).
4. Рассмотрите возможность использования толстой меди или даже печатной платы на металлической основе, если вы разрабатываете устройство для высокого тока.
5. Не бойтесь использовать полигоны в качестве монтажных площадок для компонентов или разъемов. Будьте осторожны с прямым соединением с плоскостью, так как вам может потребоваться тепловое разгружение.
6. Несмотря на то, что регуляторы могут обладать очень высокой эффективностью, они все же могут нагреваться. Убедитесь, что в макете предусмотрено место для любых радиаторов (если они есть) на интегральных схемах. Другой вариант - использование теплопроводящего интерфейсного материала.

Конкретные рекомендации по размещению для вашего импульсного регулятора будут зависеть от топологии, количества компонентов, наличия обратной связи и стратегии заземления. Надеемся, вы подумали о заземлении, чтобы предотвратить электромагнитные помехи и обеспечить необходимую изоляцию, прежде чем начать разработку печатной платы. Чтобы увидеть более конкретные рекомендации для вашего регулятора, ознакомьтесь с некоторыми из этих других ресурсов:

• Как спроектировать повышающий регулятор напряжения
• Изолированные и неизолированные источники питания: правильный выбор без ошибок
• Проектирование и размещение на печатной плате резонансного преобразователя LLC
• Регулятор напряжения с низким уровнем шума и ЭМП

Что мы не рассмотрели?

Очевидно, что в вышеупомянутом списке рекомендаций по размещению для импульсных источников питания и регуляторных схем много чего стоит учитывать. Так что же отсутствует? В вышеупомянутом обсуждении отсутствуют несколько критически важных аспектов регулирования и передачи энергии:

• Импеданс СПП: Если вы не разрабатываете устройства с компонентами высокой скорости/высокой частоты, вероятно, вам не нужно беспокоиться об импедансе СПП. Просто убедитесь, что используете толстые шины питания и много заземляющего залива. Если вы разрабатываете для высокоскоростных/высокочастотных приложений, то низкий импеданс СПП очень важен для подавления пульсаций, что обычно достигается за счет большого количества развязывающих конденсаторов и высокой межплоскостной емкости.
• ЭМП питания: Я уже упоминал об этом выше. Всякий раз, когда вы создаете макет печатной платы, вы должны думать о том, чтобы обеспечить низкое ЭМП, но для подавления ЭМП и прохождения тестов на ЭМС требуется многое, помимо маршрутизации с низкой индуктивностью петли. Я обсужу некоторые из этих моментов в статье, посвященной ЭМП питания.
• Аналоговое питание: Здесь мы рассматриваем импульсные преобразователи, как обычно обсуждается в контексте цифровых ИС. А как насчет аналоговых компонентов? Их потребности в питании могут сильно отличаться. Цифровые ИС, генерирующие аналоговый/РЧ сигнал, обычно делают это внутренним образом. Однако существуют специализированные ЛДО (например, NCP161BMX280TBG) или импульсные регуляторы (например, LTC3388IMSE-1).

Также стоит уделить внимание выбору компонентов, таких как выбор индукторов для обеспечения низкого уровня ЭМИ и снижения общего шума, а также для обеспечения низкого пульсирующего тока. Последний пункт в вышеупомянутом списке также довольно важен, поскольку чисто аналоговые схемы не будут иметь такой же стиль размещения, как регулятор мощности или встроенный источник питания для цифровых систем. Когда вы работаете на чрезвычайно высоких частотах, проблемы с питанием РЧ становятся более сложными для управления из-за паразитной емкости, аналогичной той, что наблюдается в неустойчивых усилительных схемах. Это еще одна тема, которая мне нравится, но я оставлю ее для другого блога.

С лучшими инструментами проектирования печатных плат в Altium Designer®, вы можете реализовать рекомендации по размещению для импульсных источников питания, которые я здесь описал. Вы также получите инструменты, необходимые для поиска регуляторных ИС, компонентов для более крупных регуляторных схем и других компонентов для вашей системы. Для более сложных расчетов, связанных с проводимым или излучаемым ЭМИ, пользователи Altium Designer могут использовать расширение EDB Exporter для импорта своего проекта в решатели поля Ansys. Эта пара приложений для решения полевых задач и проектирования помогает вам проверить ваше размещение перед началом прототипирования.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.