Руководство по проектированию печатных плат для импульсных источников питания

Разработчики источников питания понимают сложные технические детали и функциональные требования, связанные с разметкой печатной платы для импульсного источника питания. Разметка определяет восприимчивость к электромагнитным помехам (EMI), тепловое поведение, целостность питания и безопасность. Хорошая разметка обеспечивает высокоэффективное преобразование и передачу энергии к нагрузке, позволяя теплу отводиться от горячих компонентов на плате, и обеспечивает низкое уровень помех в электронной системе. Безопасность также является важным фактором в переключающих регуляторах, которые могут подавать высокий ток на выход, создавая опасность.

Плохой выбор разметки вводит проблемы, возникающие при высоких уровнях тока и становящиеся очевидными при больших различиях между входным и выходным напряжениями. Распространенные проблемы источника питания, возникающие из-за плохой разметки печатной платы, включают потерю регулирования при высоком выходном токе, избыточный шум на выходе и в волновых формах переключения, а также нестабильность схемы. С помощью комбинации инструментов симуляции целостности постоянного тока, функций симуляции и анализа схемы, а также лучшего набора утилит для разметки и трассировки, разработчики могут обеспечить безопасность и надежность своего устройства. Altium Designer предлагает программное обеспечение для разметки печатной платы источника питания и многое другое, помогающее предотвратить эти проблемы.

ALTIUM DESIGNER

Программное обеспечение для проектирования печатных плат, помогающее следовать рекомендациям по разметке печатной платы для импульсного источника питания.

Источники питания сталкиваются с рядом проблем и требуют полного набора функций проектирования и анализа, чтобы обеспечить их корректную работу. Эти конструкции также могут создавать опасности для безопасности, которые могут нанести вред пользователям, как из-за воздействия высокого напряжения, так и из-за внезапного разряда тока на пользователя. Как разработчики могут убедиться, что они могут создавать безопасные, точные и надежные источники питания?

Импульсные источники питания являются стандартом для преобразования между высокотоковым выпрямленным переменным током и высоким напряжением с использованием переключающего элемента питания в реактивной цепи. Эти компоненты нелинейны и часто используют обратную связь для поддержания регулирования, в отличие от типичного регулятора LDO. В регуляторе LDO регулирование поддерживается за счет насыщения усилителя ошибки, что создает резистивные потери, видимые как тепло в компоновке печатной платы.

Хотя переключающие регуляторы предпочтительнее с точки зрения регулирования и эффективности, их может быть сложно разместить, поскольку они включают в себя больше компонентов, некоторые из которых будут иметь большие паразитные параметры и могут быть подвержены проблемам с шумом, если не расположены должным образом. Чтобы начать работу над вашей следующей компоновкой печатной платы источника питания, следуйте этим рекомендациям по компоновке печатной платы импульсного источника питания, чтобы вы могли обеспечить надежность вашего проекта.

Начало работы над компоновкой печатной платы SMPS

Существуют некоторые основные правила размещения компонентов на печатной плате для SMPS, следуя которым можно обеспечить низкий уровень помех, малое излучаемое электромагнитное излучение и низкую температуру работы. В общем, эти рекомендации можно суммировать следующим образом:

• Стремитесь снизить уровень ЭМИ, правильно определяя землю, размещая короткие трассы на печатной плате и организуя гальванически изолированные секции на плате таким образом, чтобы не было связи помех.
• Используйте подходящие входные и выходные цепи фильтрации ЭМИ, когда это необходимо, если в разводке присутствуют помехи, требуются функции, такие как отслеживание огибающей, или конкретные источники шума вызывают проблемы в конструкции.
• Используйте много меди для обеспечения пути для отвода тепла от важных компонентов. При необходимости можно рассмотреть уникальный дизайн корпуса, а также использование радиаторов или вентиляторов на горячих компонентах.
• Размещайте быстро переключающиеся, высокотоковые схемы, такие как массивы MOSFET, таким образом, чтобы во время переключений в конструкции не возникало паразитных колебаний.

Органы по регулированию, такие как Underwriter Laboratories и IEC, проводят испытания блоков питания на предмет излучаемых электромагнитных помех (EMI), проводимых EMI, стабильности, эффективности и срока службы. Регламенты FCC и CE также устанавливают пределы для эмиссий от импульсных источников питания, поскольку эти устройства могут быть непреднамеренными излучателями. Altium Designer предоставляет инструменты анализа схем, необходимые для изучения электрического поведения вашего устройства, а инструменты размещения печатных плат помогут вам создать компоновку, которая удовлетворяет вышеуказанным требованиям, учитывая ваши симулированные электрические характеристики.

Будьте внимательны при определении земли

Первое руководство по компоновке печатной платы импульсного источника питания, которое следует учитывать, это как определить землю в компоновке. Когда вы разрабатываете схему вашего импульсного источника питания, помните, что существует пять точек заземления. Их можно разделить на разные проводники, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию. Это:

• Вход заземления источника высокого тока
• Вход заземления контура высокого тока
• Выход заземления выпрямителя высокого тока
• Выход заземления нагрузки высокого тока
• Заземление управления низкого уровня

Каждое из этих заземлений может находиться в физически отдельных проводниках, в зависимости от необходимости гальванической изоляции в преобразователе, выпрямителе или регуляторе. Ваша схема питания может принимать общий режим помех, если заземления соединены емкостно, как это часто бывает через близкий проводящий корпус. Области заземления на печатной плате должны быть четко определены с каждой стороны изолирующих компонентов, таких как

Если по какой-либо причине заземления действительно нужно соединить, чтобы устранить некоторое постоянное смещение, лучшим вариантом будет конденсатор с рейтингом Y, поскольку это обеспечивает фильтрацию высоких частот и устраняет постоянное смещение между областями заземления.

Каждая заземляющая шина высокого тока служит одной из сторон токовых контуров, но она должна быть разведена таким образом, чтобы обеспечить низкоимпедансный возвратный путь для токов. Это может потребовать использования нескольких переходных отверстий (виас) обратно к земляной плоскости, чтобы пропустить высокий ток с низкой эквивалентной индуктивностью. Эти точки и потенциал, на котором они находятся по отношению к земле системы, становятся точкой для измерения постоянных и переменных сигналов, которые передаются между различными точками схемы. Из-за необходимости предотвратить утечку шума от заземлений переменного тока высокого тока, отрицательный вывод соответствующего фильтрующего конденсатора служит точкой подключения для заземлений высокого тока.

Лучшей практикой для определения зон заземления является использование больших плоскостей или заливок полигонов. Эти регионы обеспечивают пути с низким импедансом для рассеивания помех от выхода постоянного тока и могут выдерживать высокие обратные токи. Они также обеспечивают путь для отвода тепла от важных компонентов при необходимости. Размещение земляной плоскости с обеих сторон поглощает излучаемые электромагнитные помехи, снижает шум и уменьшает ошибки заземляющих контуров. Работая как электростатические щиты и рассеивая излучаемые электромагнитные помехи внутри вихревых токов, земляные плоскости также разделяют силовые дорожки и компоненты силовой плоскости от компонентов сигнальной плоскости. Инструменты CAD в Altium Designer упрощают определение заземлений на вашей плате печатной схемы и размещение больших проводников для использования в качестве зон заземления на вашей печатной плате. Особенно при работе с импульсными источниками питания, вы можете использовать земляную плоскость с обеих сторон печатной платы и соединить их перемычками через переходные отверстия, чтобы обеспечить постоянный потенциал на ваших заземлениях.

• Зоны заземления в дизайне могут иметь несколько названий в зависимости от их функции. Будьте внимательны при определении зон заземления в вашем дизайне и убедитесь, что вы правильно их связываете.
  Узнайте больше о заземлении для земли, цифровых и аналоговых схем на печатных платах.
• Заземляющие плоскости важны не только в системах распределения питания на печатных платах. Убедитесь, что вы определяете соединения так, чтобы они имели низкое сопротивление, не влияя при этом на сборку.
  Узнайте больше о создании заземляющей плоскости в Altium Designer.
• Общий режим помех и проводимые пульсации являются доминирующими источниками шума в компоновке печатной платы и могут привести к тому, что дизайн не пройдет испытания на электромагнитную совместимость (EMI), когда уровень шума становится экстремальным.
  Узнайте больше об EMI в источниках питания и о некоторых шагах по его снижению.

Редактор схем помогает в компоновке

Заземление является важной отправной точкой при проектировании, поскольку оно определяет помехозащищенность и возможности трассировки компоновки печатной платы. Однако это не единственный аспект, который следует учитывать при проектировании источника питания. Действие коммутации и подавление EMI встроены в источники питания и должны быть четко определены в печатной плате.

Где делать заземляющие соединения

Способность контроллера SMPS точно регулировать выходное напряжение зависит от подключения низкоуровневой управляющей земли. Работая с интегральными схемами, входными конденсаторами, выходными конденсаторами и выходными диодами, убедитесь, что компоненты подключены к плоскости заземления. Заземление соединяется с точкой, где контрольный ИС и его сопутствующая схема измеряют переменный ток, постоянный ток, выходное напряжение и другие основные параметры. Подключение низкоуровневой земли к нижней стороне резистора измерения тока или делителя выходного напряжения предотвращает обнаружение контрольной схемой общего режима помех.

Проектирование коммутационного действия

SMPS работает, быстро переключая рабочие элементы между состоянием отсечки и состоянием насыщения, обеспечивая постоянную мощность на выходную нагрузку. В состоянии отсечки через рабочий элемент присутствует высокое напряжение, но ток не течет. В состоянии насыщения через рабочий элемент течет высокий ток при очень малом падении напряжения. Поскольку полупроводниковый переключатель создает переменное напряжение из постоянного входного напряжения, SMPS может либо повышать, либо понижать напряжение с помощью трансформаторов, а затем фильтровать напряжение обратно в постоянное на выходе.

Импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) работают либо в прямом режиме, либо в режиме повышения напряжения. Источники питания прямого режима имеют на выходе фильтр L-C, который создает постоянное выходное напряжение из средневременного значения напряжения, полученного от фильтра. Для управления средневременным значением сигнала контроллер источника питания изменяет скважность входного прямоугольного напряжения.

Преобразователь понижающий против повышающего

Источники питания в режиме повышения напряжения подключают индуктор напрямую к источнику входного напряжения, когда ключ питания включен. Ток через индуктор увеличивается от нуля и достигает своего пика одновременно с выключением ключа питания. Выходной выпрямитель ограничивает выходное напряжение индуктора и предотвращает превышение напряжения выше выходного напряжения источника питания. Когда энергия, накопленная в сердечнике индуктора, передается на выходной конденсатор, переключаемый вывод индуктора возвращается к уровню входного напряжения.

Тем временем, режим преобразователя постоянного тока использует те же компоненты, но в другой топологии, чтобы ограничить обратную ЭДС индуктора на уровне ниже входного напряжения. Переключающее действие обеспечивает тот же эффект, что и в повышающем преобразователе, где выходной ток колеблется в конкуренции с заряжающимся/разряжающимся конденсатором, тем самым позволяя регулировать выходную мощность. Оба типа топологий регулятора/преобразователя позволяют шуму переключения распространяться на выходные порты в дизайне, что может проявляться как высокочастотные пульсации на выходе.

Маршрутизация источника питания помогает обеспечить работу с низким уровнем шума

Импульсные источники питания проводят высокочастотный шум до тех пор, пока частота шума не достигнет примерно в 100 раз больше частоты переключения. Затем частота шума падает со скоростью -20 до -40 дБ на декаду. Поскольку регуляторы с переключением работают в состояниях "включено" и "выключено", в цепи импульсного источника питания протекают большие токовые импульсы с резкими краями, что в результате создает ЭМИ. Переход между состояниями питания ВКЛ и ВЫКЛ создает ЭМИ, которое может быть индуцировано в других местах вашей системы, если токовые петли в компоновке источника питания слишком велики. Цепи импульсного источника питания состоят из петли переключения питания и петель выпрямителя на выходе, и их нужно правильно маршрутизировать, чтобы предотвратить избыточный шум.

При разводке источника питания уделяйте особое внимание периметру контуров и длине и ширине дорожек. Уменьшение периметра контура исключает возможность работы контура как антенны низкочастотных помех. С точки зрения эффективности схемы, более широкие дорожки также обеспечивают дополнительное отвод тепла для ключей питания и выпрямителей. Вы можете использовать движок активной трассировки для достижения результатов трассировки, сопоставимых с трассировкой вручную, и расположить компоненты таким образом, чтобы токовые контуры коммутации проводили ток в одном направлении. При совпадении направлений токовых контуров, управляющая схема соединяется с определенными точками на плате. В результате магнитное поле не может изменить направление вдоль дорожек, расположенных между двумя полупериодами, и генерировать излучаемые электромагнитные помехи.

• Инструменты трассировки Altium Designer помогают вам легко размещать полигоны для линий высокого тока/высокого напряжения или более тонкие дорожки для линий данных и управления.
  Узнайте больше о трассировке вашего источника питания в Altium Designer.
• При работе с разводкой источника питания делайте дорожки, по которым протекают высокие коммутационные токи, короткими, прямыми и толстыми. Для расчета рекомендуемой ширины дорожек можно использовать стандарты IPC, хотя в качестве общего правила можно считать минимальную ширину в 15 мил на Ампер.
  Узнайте больше о расчете ширины дорожек для обеспечения высокой пропускной способности тока.
• Фильтры ЭМП в источниках питания с импульсной модуляцией подавляют высокочастотные помехи, вызванные высокочастотными токами, протекающими в цепях постоянного тока на входе и выходе. Вы можете использовать интегрированные данные о ценах и наличии компонентов, а также ссылки на технические описания, найденные в библиотеках и в хранилище контента Altium, для проектирования фильтров, которые обеспечивают наилучшие результаты.
  Узнайте больше о схемах фильтров ЭМП в вашей печатной плате.

Советы по размещению печатной платы для узлов переменного напряжения в ИИП

В зависимости от конфигурации ИИП, узлы переменного напряжения находятся на стоке мощного МОП-транзистора или коллекторе биполярного транзистора (БТ) и анодах выпрямительных диодов. Каждый из этих узлов может иметь высокие переменные напряжения. Например, пиковое переменное напряжение на стоке МОП-транзистора может составлять от одного до двух раз больше входного напряжения. Со стоком, закрепленным на радиаторе через изолятор, заземленный радиатор обеспечивает путь для шума, связанного емкостно. Вы можете использовать инструменты размещения печатной платы в Altium Designer, чтобы размещать чувствительные сигналы с одной стороны, а не под шумным узлом переменного тока. Кроме того, вы можете использовать кросс-штриховку для любых земляных плоскостей, расположенных под узлом, чтобы устранить помехи.

В средах поверхностного монтажа значения емкости меньше, но они могут вносить помехи в чувствительные сигналы. Из-за этих факторов ваша разводка также должна учитывать возможность емкостной связи напряжений переменного тока узлов с радиаторами или соседними земляными плоскостями. При разработке печатной платы поверхностного монтажа делайте узлы достаточно большими, чтобы они могли служить радиаторами для ключа питания или выпрямителя. Некоторые многослойные конструкции увеличивают тепловую массу конструкции, делая все слои под узлом переменного тока идентичными узлу переменного тока и соединяя слои металлизированными сквозными отверстиями.

Altium Designer предоставляет вам полный набор инструментов для проектирования и разводки

Полный набор функций для проектирования и разводки печатных плат в Altium Designer предоставляет вам инструменты, необходимые для создания надежных и безопасных энергосистем. Вы также можете создавать и симулировать важные топологии схем питания и фильтры ЭМП, которые можно использовать в любом приложении, от систем постоянного тока высокой мощности до систем переменного тока высокой частоты. Плагин PDN Analyzer для Altium Designer предоставляет лучшие ресурсы для анализа постоянного тока и напряжения в цепи. Проектирование разводки печатной платы для источника питания с импульсным режимом работы может показаться сложной задачей, но Altium Designer предоставляет инструменты, которые упрощают сложность энергоснабжения, превращая ее в легко понимаемые задачи.

• Altium Designer предоставляет вам все необходимое для воплощения ваших идей в реальность. Вы можете создавать что угодно, от простых схем на MOSFET до сложных конструкций источников питания для радиочастотных устройств в Altium Designer.
  Узнайте больше об интегрированных инструментах проектирования печатных плат в Altium Designer.
• Расширение PDN Analyzer в Altium Designer позволяет пользователям анализировать выходные параметры их источников питания с помощью стандартных в отрасли симуляций целостности постоянного тока.
  Узнайте больше о плагине PDN Analyzer для Altium Designer.
• Все пользователи Altium Designer могут делиться своими проектами источников питания через платформу Altium 365. Команды разработчиков используют Altium 365 для поддержания продуктивности и безопасного обмена данными проектов в облачной среде.
  Узнайте больше о том, как делиться данными проектов печатных плат на Altium 365.

Цель Altium всегда заключалась в том, чтобы предоставить пользователям упрощенный опыт проектирования в едином интерфейсе проектирования. Редактор схем, редактор печатных плат, пакет симуляции SPICE, функции трассировки и инструменты симуляции в Altium Designer предоставляют вам все необходимое для создания безопасных, надежных, свободных от помех источников питания. Когда вам нужен полный набор инструментов для создания и управления компонентами, используйте лучшие в отрасли утилиты ECAD для создания и симуляции ваших проектов.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает невиданный до сих пор уровень интеграции для электронной промышленности, ранее доступный только в мире разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали осваивать возможности, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.