Dù bạn đang thực hiện chuyển đổi AC-DC hay DC-DC, bố cục nguồn cung cấp chuyển mạch thường gặp trong thiết kế điện áp cao và phải được xây dựng một cách cẩn thận. Mặc dù hệ thống này khá phổ biến, nó sẽ dễ dàng phát ra EMI do sự thay đổi nhanh chóng về điện áp và dòng điện trong quá trình chuyển mạch. Các nhà thiết kế hiếm khi có thể thích nghi các thiết kế hiện có vào hệ thống mới vì một thay đổi nhỏ trong một khu vực có thể tạo ra vấn đề EMI khó chẩn đoán.
Với những lựa chọn bố cục và định tuyến đúng đắn, bạn có thể ngăn chặn tiếng ồn trở thành vấn đề đáng kể từ đầu ra của SMPS của bạn. Các bộ chuyển đổi điện áp thấp có thể được mua dưới dạng IC với các hình dạng khác nhau, nhưng bộ chuyển đổi điện áp cao sẽ cần được sản xuất từ các linh kiện rời trên một bảng mạch chuyên dụng. Dưới đây là một số mẹo bố cục PCB SMPS quan trọng để giúp bạn giữ cho các linh kiện mát mẻ và ngăn chặn vấn đề tiếng ồn trong hệ thống của bạn.
Không thể tránh khỏi: bất kỳ SMPS nào cũng sẽ sản xuất tiếng ồn tần số trung bình cao do hành động chuyển mạch của bộ điều khiển transistor. Thực tế, bạn đang đổi tiếng ồn dao động tần số thấp (tức là, từ một bộ chỉnh lưu sóng đầy trong quá trình chuyển đổi AC-DC) thành tiếng ồn chuyển mạch tần số cao. Mặc dù việc chuyển đổi này tạo ra đầu ra DC ổn định hơn, vẫn còn vấn đề về hai nguồn tiếng ồn quan trọng:
Tiếng ồn có thể xuất hiện trên đầu ra từ một đơn vị SMPS dưới dạng tiếng ồn dẫn và tiếng ồn bức xạ. Mặc dù nguyên nhân của mỗi vấn đề có thể phức tạp để chẩn đoán, nhưng có thể dễ dàng phân biệt giữa hai loại tiếng ồn. Thách thức thiết kế khác trong bố trí PCB SMPS là nhiệt sinh ra trong bảng mạch. Mặc dù điều này có thể được ảnh hưởng bởi việc chọn tần số PWM, chu kỳ làm việc và thời gian tăng phù hợp, bạn vẫn cần sử dụng các chiến lược quản lý nhiệt đúng đắn trong bảng mạch của mình. Với hai thách thức này trong tâm trí, hãy xem xét một số điểm quan trọng cần chú ý trong bố trí PCB SMPS của bạn.
Một SMPS lý tưởng sẽ không tiêu hao năng lượng, mặc dù điều này không xảy ra trong thực tế. Transistor chuyển đổi của bạn (và biến áp đầu vào cho chuyển đổi AC-DC) sẽ tiêu hao phần lớn năng lượng dưới dạng nhiệt. Mặc dù hiệu suất có thể vượt qua 90% trong các cấu trúc nguồn chuyển đổi, MOSFET công suất vẫn có thể tiêu hao nhiệt đáng kể trong quá trình chuyển đổi. Thực hành phổ biến ở đây là đặt tản nhiệt trên các thành phần chuyển đổi quan trọng; hãy chắc chắn kết nối chúng trở lại với mặt đất để ngăn chặn một nguồn EMI mới.
Trong các nguồn cung cấp điện áp cao/dòng điện cao, những tản nhiệt này có thể khá lớn. Bạn có thể tăng cường khả năng làm mát cho hệ thống bằng cách lắp một quạt vào vỏ máy. Lại một lần nữa, hãy chắc chắn tuân theo những phương pháp tốt nhất liên quan đến việc cung cấp điện cho quạt này để ngăn chặn vấn đề EMI mới.
Bố trí của bạn sẽ giúp ích phần nào trong quản lý nhiệt, nhưng nó là yếu tố quyết định lớn hơn về khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi EMI. Tiếng ồn dẫn được xử lý thông thường bằng cách sử dụng mạch lọc EMI trên các mạch vào và ra. Giống như nhiều vấn đề EMI trong các hệ thống tốc độ cao/tần số cao, bố cục của bạn sẽ là yếu tố quyết định chính về khả năng miễn dịch với EMI bức xạ.
Các tần số liên quan mà SMPS sẽ hoạt động ở đâu đó từ ~10 kHz đến ~1 MHz, vì vậy EMI bức xạ sẽ gây ra tiếng ồn bằng cách cảm ứng. Do đó, bạn muốn đặt mặt đất trong bố cục của mình ngay dưới lớp bề mặt với tất cả các thành phần điện của bạn. Điều này sẽ đảm bảo độ tự cảm vòng lặp thấp cho các mạch trên lớp bề mặt. Bất kỳ tín hiệu tiếng ồn nào được truyền đến đầu ra thường sẽ được loại bỏ thông qua việc lọc ở đầu ra.
Có một số ý kiến phản đối việc đặt mặt đất dưới hoặc gần các cuộn cảm (cuộn cảm, máy biến áp, hoặc cuộn cảm chế độ chung) trong bố cục PCB của bạn. Lý do là dung kháng quấn trong một cuộn cảm có thể kết nối dòng điện từ một mặt đất trở lại vào cuộn cảm, tạo ra tiếng ồn chế độ chung là nguồn gốc của EMI. Việc theo dõi các đường trở về trong bố cục của bạn để ngăn chặn sự kết nối tiếng ồn chế độ chung là rất quan trọng, một nhiệm vụ được hỗ trợ bởi công cụ giải pháp trường phù hợp.
Dao động tạm thời là một vấn đề khó giải quyết hơn vì chúng liên quan đến cấu trúc xếp chồng của bạn, định tuyến, sự hiện diện của vias, và việc giảm bớt không đủ/kháng trở quá mức. Cũng như trong thiết kế tốc độ cao, không định tuyến bất kỳ đồng nào mang tín hiệu chuyển mạch qua một khoảng trống trong mặt đất, vì điều này sẽ tạo ra một loại cấu trúc ăng-ten có thể bức xạ mạnh mẽ tại các dao động tạm thời. Những dao động tạm thời này có xu hướng là tần số cao (từ 10’s đến 100’s MHz).
Vấn đề với dao động tạm thời là một vấn đề quản lý trở kháng. Trở kháng cao dẫn đến dao động điện áp mạnh. Các linh kiện nên được đặt với các mẫu đất phù hợp để giảm thiểu trở kháng trên PDN của bảng mạch. Các ví dụ về mẫu đất tốt và xấu cho các linh kiện của bạn được hiển thị dưới đây.
Cuối cùng, tốt nhất là không để lại bất kỳ hòn đảo cô lập nào trong bố cục của bạn. Kết nối bất kỳ hòn đảo nguồn nào có thể chứa mạch điều khiển hoặc linh kiện thụ động trở lại với lớp đổ nối đất/lớp nối đất bằng tụ điện giải nhiễu. Hãy cẩn thận với bất kỳ vị trí via nào trong những tình huống này vì bạn không muốn tạo ra một rãnh hoặc khe không mong muốn trong lớp nối đất của mình.
Nếu bạn quan tâm đến một mạch điều khiển điện áp vừa phải để cung cấp năng lượng cho các LED cường độ cao, hãy xem bài viết này của Mark Harris. Cũng có vấn đề xác định tần số chuyển mạch tốt nhất để sử dụng trong SMPS của bạn. Đây có thể là một vấn đề tối ưu hóa khó giải quyết, nhưng bạn có thể tiếp cận gần hơn nếu bạn hiểu hành vi chuyển mạch của MOSFET của mình khi được điều khiển bằng tín hiệu PWM. Tôi đã thảo luận về điểm này trong một bài viết gần đây. Cuối cùng, hãy xem lời khuyên của chúng tôi về thiết kế các bảng mạch điện áp cao (bao gồm cả SMPS) theo tiêu chuẩn IPC.
Các tính năng thiết kế sơ đồ và bố trí trong Altium Designer là lý tưởng để tạo bố trí PCB SMPS và mô phỏng hành vi của nó. Bạn sẽ có quyền truy cập vào bộ công cụ mô phỏng trước bố trí đầy đủ để sử dụng cho thiết kế mạch, và bạn sẽ có một phân tích viên PDN mạnh mẽ để đảm bảo phân phối điện năng ổn định trong bảng mạch của bạn. Tất cả các tính năng này đều có thể truy cập trong một môi trường thiết kế duy nhất, giúp bạn duy trì năng suất và xây dựng sản phẩm tiếp theo của mình một cách nhanh chóng.
Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.