Hướng dẫn Bố trí PCB cho Nguồn cấp và Bộ điều chỉnh Chuyển đổi

| Created: Tháng Năm 19, 2021

Nguồn cấp và bộ điều chỉnh có thể có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Mặc dù chúng thường được thảo luận như những sản phẩm khác nhau, về mặt điện tử, chúng tương đương nhau, đặc biệt là bộ điều chỉnh chuyển mạch. Từ góc độ hệ thống cấp cao, phần bộ điều chỉnh chuyển mạch trong một nguồn cấp và mạch điều chỉnh thực tế thực hiện cùng một chức năng trong cùng một sơ đồ khối.

Đối với một nguồn cấp, đơn giản chỉ là vấn đề về quy mô và cách bộ điều chỉnh tích hợp với các khối chuyển đổi năng lượng khác trong hệ thống. Phần bộ điều chỉnh chuyển mạch trong một nguồn cấp, và mạch bộ điều chỉnh chuyển mạch trên một PCB, nên được bố trí theo cùng một hướng dẫn chung để đảm bảo hoạt động ít nhiễu.

Trong các phần tiếp theo, tôi muốn tập trung ngắn gọn về cách nguồn cấp và bộ điều chỉnh khác nhau, mặc dù điều này đã rõ ràng với hầu hết các nhà thiết kế. Một nguồn cấp sẽ (hoặc nên) bao gồm một bộ điều chỉnh năng lượng, nhưng một bộ điều chỉnh có thể là một mạch độc lập không phải là một phần của những gì chúng ta có thể gọi là nguồn cấp. Đối với một nguồn cấp và cho một PCB với bộ điều chỉnh tích hợp, bố trí bộ điều chỉnh chuyển mạch sẽ là yếu tố quyết định chính về hiệu suất hệ thống tổng thể. Do đó, chúng ta sẽ chủ yếu xem xét một số hướng dẫn bố trí cho nguồn cấp chuyển mạch về bố trí bộ điều chỉnh.

Hướng dẫn Bố trí Hệ thống cho Nguồn Cấp Chuyển Mạch

Trước khi xem xét phần điều chỉnh của một nguồn cung cấp điện chuyển đổi, chúng ta nên xem trước sơ đồ khối cấp cao của toàn bộ hệ thống. Nếu bạn đang thiết kế một đơn vị nguồn cung cấp điện, thì toàn bộ đơn vị sẽ có cấu trúc như dưới đây. Điều này đặc biệt quan trọng đối với nguồn cung cấp điện sẽ lấy điện AC từ ổ cắm tường.

Switching power supply block diagram — *Sơ đồ khối cấp cao cho một nguồn cung cấp điện chuyển đổi.*

Sơ đồ khối trên có thể được triển khai trên nhiều bảng mạch, mặc dù thường thì mọi thứ đều được đặt trên một bảng mạch để dành chỗ cho các bộ biến áp lớn, tản nhiệt, quạt và giá đỡ cơ khí, đặc biệt là cho nguồn cung cấp điện áp/dòng điện cao. Nếu bạn đang thiết kế một bộ điều chỉnh nhỏ cho một bảng mạch sẽ cắm vào một đơn vị nguồn cung cấp điện, thì bạn sẽ làm việc trong cấu trúc trên dù sao, bạn chỉ cần có một kết nối đất giữa bộ điều chỉnh đầu ra và bộ điều chỉnh mới của bạn. Một lần nữa, điều này phổ biến đối với nguồn cung cấp điện dòng cao.

Có một số điểm khác cần thảo luận trong sơ đồ trên:

Cách Ly Galvanic

Trong sơ đồ khối ở trên, chúng ta có ba khu vực tiếp đất riêng biệt được kết nối lại với nhau bằng tụ điện. Đừng mù quáng tuân theo hướng dẫn này với tụ điện: không có một kỹ thuật tiếp đất PCB duy nhất nào giải quyết mọi nguồn nhiễu và bạn nên cẩn thận với việc sử dụng tụ điện như trên. Điều này được trình bày để minh họa một phương pháp đảm bảo tiềm năng tiếp đất nhất quán trên tất cả các khu vực tiếp đất; đây là một phương pháp được khuyến nghị cho việc tiếp đất trong hệ thống Ethernet công nghiệp. Ý tưởng ở đây là để chặn bất kỳ tiềm năng DC nào có thể phát triển giữa hai phần tiếp đất

Nguy cơ ở đây là tạo ra các vòng tiếp đất và nhiễu chế độ chung, điều này sau đó phải được lọc. Kết nối các tiếp đất với nhau theo cách này cơ bản là những gì được thực hiện khi bạn có một khung máy kim loại, trong khi vỏ nhựa sẽ để các tiếp đất được cô lập. Điều này trở nên phức tạp và đòi hỏi thiết kế mạch và bố trí PCB cẩn thận để vẫn đạt được tất cả các bài kiểm tra EMC.

Giai đoạn Đầu ra

Cách ly galvanic ở giai đoạn đầu ra không được yêu cầu; nó phụ thuộc vào cấu trúc của bộ điều chỉnh DC (xem bộ chuyển đổi flyback để có một ví dụ tốt). Cũng thường gặp việc đặt một mạch lọc EMI dẫn hoặc cuộn cảm chế độ chung ở đầu ra để giảm dòng chế độ chung đến các mạch tải. Ngoài những điểm này, giai đoạn điều chỉnh đầu ra sẽ được bố trí sử dụng các phương pháp tốt nhất cho cấu trúc điều chỉnh cụ thể. Tôi sẽ trình bày những ý tưởng rộng lớn hơn về bố trí điều chỉnh dưới đây.

Giai đoạn đầu ra của đơn vị cung cấp điện có thể không phải là bộ điều chỉnh cuối cùng trong hệ thống. Thay vào đó, nó có thể cấp điện cho một bộ điều chỉnh khác hoặc một loạt các bộ điều chỉnh, mỗi bộ sẽ cung cấp một điện áp cố định ở một dòng điện tối đa nhất định cho một nhóm linh kiện. Một lần nữa, điều này có thể được thực hiện trên một bảng mạch đơn, hoặc trên nhiều bảng mạch (một cho nguồn điện, một khác cho các giai đoạn điều chỉnh):

Switching power supply block diagram power tree — *Sơ đồ phân phối điện cho một nguồn cung cấp điện chuyển đổi.*

Sơ đồ cây nguồn ở trên cho thấy các bộ điều chỉnh được mắc song song (daisy-chained), nhưng chúng cũng có thể được mắc theo kiểu cascaded trong một topologi cây. Việc lập bản đồ này cho dòng điện trong PDN của bạn rất hữu ích vì nó giúp bạn nhanh chóng vạch ra lượng dòng điện mà mỗi giai đoạn điều chỉnh phía hạ lưu sẽ đóng góp vào tổng dòng điện trong PDN. Tổng dòng điện và các dòng điện cá nhân sẽ sau đó xác định kích thước của đường ray nguồn hoặc mặt phẳng nguồn cần thiết để chuyển dòng điện đủ cho mỗi phần trong hệ thống.

Phác Thảo Mỗi Khối Mạch

Giờ đây, khi chúng ta có thể thấy kiến trúc tổng thể của hệ thống, chúng ta có thể hiểu cách bố trí mỗi khối mạch trong nguồn cấp điện chuyển mạch và toàn bộ hệ thống để đảm bảo EMI thấp và an toàn. Hãy suy nghĩ về toàn bộ sơ đồ khối khi tạo bố cục PCB của bạn:

Bố trí theo từng phần: Giống như các bảng mạch khác với nhiều khối chức năng, hãy cố gắng bố trí bảng mạch nguồn theo từng phần. Việc làm này theo cách tuyến tính từ đầu vào đến đầu ra trong sơ đồ khối là hoàn toàn ổn.
Lên kế hoạch bố trí với phản hồi: Đôi khi, như trong các bộ điều chỉnh dòng cao chính xác, bạn sẽ có một số phản hồi giữa các phần. Sử dụng optocouplers để cầu nối khoảng cách tiếp đất giữa mỗi phần.
Theo dõi đường dẫn trở về mặt đất: Nếu có bất kỳ hướng dẫn nào được áp dụng chung trong thiết kế PCB, có lẽ đó là “theo dõi đường dẫn trở về mặt đất của bạn.” Đối với nguồn cung cấp điện, điều này rất quan trọng để xác định các vị trí nơi có thể phát triển dòng điện chung và để đảm bảo độ tự cảm vòng lặp thấp trong mỗi phần cung cấp.
Chú ý đến các đường ray dòng điện cao và điện áp cao: Thiết kế cho điện áp cao và dòng điện cao đôi khi được trộn lẫn với nhau. Sự chênh lệch điện thế tối đa giữa hai dẫn điện sẽ xác định khoảng cách tối thiểu giữa chúng (xem IPC-2221), và dòng điện mà một dẫn điện mang sẽ xác định chiều rộng cần thiết của nó để đảm bảo nhiệt độ thấp (xem IPC-2152 cho các lớp bên trong hoặc cho các lớp bên ngoài).

Switching power supply optocoupler — Optocoupler là các IC nhỏ có thể được sử dụng để cầu nối dữ liệu hoặc cảm biến tín hiệu qua hai khu vực tiếp đất cách ly galvanic. Optocoupler này (U4) được sử dụng trong một bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC như một phần của vòng phản hồi với một bộ khuếch đại cảm nhận dòng điện để thực hiện điều chỉnh chính xác tần số chuyển đổi của bộ chuyển đổi.

Trong khi làm việc qua phần thiết kế PDN, bạn cũng nên suy nghĩ về cách mỗi phần sẽ được nối đất và cách các mặt đất có thể được kết nối với nhau để tạo ra một tiềm năng tham chiếu nhất quán. Điều này rất quan trọng để ngăn chặn EMI, như tôi đã ám chỉ ở trên. Điều này nên được thực hiện trước khi bạn bắt đầu làm việc trên bố cục PCB.

Mẹo Bố Cục Điều Chỉnh Nguồn Cung Cấp Điện Chuyển Mạch

Sau khi bạn đã chọn linh kiện cho bộ điều chỉnh, tạo sơ đồ và thiết kế chiến lược phân phối năng lượng/đất, bạn có thể bắt đầu suy nghĩ về bố cục PCB. Bố cục PCB cho một bộ điều chỉnh công suất chuyển đổi đều liên quan đến việc cân nhắc: bạn cần cân bằng giữa kích thước dẫn điện so với yêu cầu khoảng cách, nhưng bạn cần mọi thứ phải gọn gàng.

Chúng tôi đã đăng nhiều hướng dẫn trên blog này về việc bố trí các cấu trúc điều chỉnh cụ thể. Thay vì đi qua tất cả những khả năng này, danh sách dưới đây cho thấy một số hướng dẫn chung sẽ áp dụng trong hệ thống của bạn.

Luôn thực hiện các quy tắc khoảng cách tối thiểu và chiều rộng dấu vết cho hệ thống của bạn.
Giữ cho bất kỳ đường dẫn phản hồi nào cho cảm biến điện áp/dòng điện ngắn với lộ trình trực tiếp nhất có thể.
Bạn có thể phải tụ tập một số linh kiện điều khiển và cảm biến xung quanh IC điều khiển và trình điều khiển của mình, vì vậy hãy chắc chắn làm cho các kết nối giữa chúng ngắn; việc tụ tập những linh kiện này trong một khu vực chật hẹp là được (xem bên dưới).
Xem xét sử dụng đồng dày hoặc thậm chí là PCB lõi kim loại nếu bạn thiết kế cho dòng điện cao.
Đừng ngần ngại sử dụng đa giác làm bệ đỡ cho linh kiện hoặc kết nối. Hãy cẩn thận khi kết nối trực tiếp lại với một mặt phẳng vì bạn có thể cần giảm nhiệt.
Mặc dù các bộ điều chỉnh có thể có hiệu suất rất cao, chúng vẫn có thể nóng lên. Hãy chắc chắn rằng bạn đã dành không gian trong bố cục cho bất kỳ tản nhiệt nào (nếu có) trên ICs. Một lựa chọn khác là sử dụng vật liệu giao diện nhiệt.

Switching power supply layout — Một số phần của bố trí nguồn cung cấp điện chuyển đổi có thể rất chật hẹp và có thể có các đường ray/rãnh rộng hơn. Đừng ngần ngại sử dụng những yếu tố này để đảm bảo bạn đang hoạt động ở nhiệt độ an toàn và tạo ra một bố trí có độ tự cảm thấp.

Hướng dẫn bố cục cụ thể cho bộ điều chỉnh chuyển mạch của bạn sẽ phụ thuộc vào cấu trúc, số lượng linh kiện, sự hiện diện của phản hồi, và chiến lược nối đất. Hy vọng rằng, bạn đã suy nghĩ về việc nối đất để ngăn chặn EMI và cung cấp bất kỳ sự cách ly nào cần thiết trước khi bạn bắt đầu bố trí PCB của mình. Để xem một số hướng dẫn cụ thể hơn cho bộ điều chỉnh cụ thể của bạn, hãy xem một số nguồn tài nguyên khác này:

Chúng Ta Chưa Đề Cập Đến Điều Gì?

Rõ ràng, có rất nhiều điều cần xem xét trong danh sách hướng dẫn bố trí ở trên cho nguồn cung cấp điện chuyển mạch và mạch điều chỉnh. Vậy điều gì đang thiếu? Có một số khía cạnh quan trọng của việc điều chỉnh và cung cấp điện không được đề cập trong cuộc thảo luận ở trên:

Trở kháng PDN: Nếu bạn không thiết kế với các thành phần tốc độ cao/tần số cao, có lẽ bạn không cần phải lo lắng về trở kháng PDN. Chỉ cần đảm bảo sử dụng đường dây nguồn rộng và nhiều lớp đất. Nếu bạn thiết kế cho tốc độ cao/tần số cao, thì trở kháng PDN thấp rất quan trọng để giảm nhiễu, thường được thực hiện với nhiều tụ bù và điện dung giữa các lớp cao.
Nhiễu EMI từ nguồn điện: Tôi đã ám chỉ điều này ở trên. Bất cứ khi nào bạn tạo một bố cục PCB, bạn nên suy nghĩ về việc đảm bảo EMI thấp, nhưng có rất nhiều điều cần làm để giảm EMI và vượt qua các bài kiểm tra EMC ngoài việc định tuyến vòng cảm ứng thấp. Tôi sẽ thảo luận một số điểm này trong một bài viết dành riêng cho nhiễu EMI từ nguồn điện.
Nguồn điện tương tự: Ở đây, chúng ta đang xem xét các bộ chuyển đổi chuyển mạch thường được thảo luận trong bối cảnh của các IC số. Còn về các thành phần tương tự thì sao? Nhu cầu về nguồn điện của chúng có thể khác biệt đáng kể. Các IC số cung cấp tín hiệu tương tự/RF thường sẽ làm như vậy một cách nội bộ. Tuy nhiên, có các LDO chuyên biệt (ví dụ, NCP161BMX280TBG) hoặc các bộ điều chỉnh chuyển mạch (ví dụ, LTC3388IMSE-1).

Cũng có vấn đề về việc chọn linh kiện, như việc chọn cuộn cảm để đảm bảo EMI thấp và nhiễu chế độ chung thấp, cũng như để đảm bảo dòng riple thấp. Điểm cuối cùng trong danh sách trên cũng rất quan trọng bởi vì mạch tương tự thuần túy sẽ không có cùng phong cách bố trí như một bộ điều chỉnh công suất hoặc nguồn cung cấp điện năng nhúng cho hệ thống số. Khi bạn làm việc ở tần số cực cao, vấn đề nguồn cung cấp RF trở nên khó quản lý hơn do dung kháng nhiễu, tương tự như những gì thấy trong mạch khuếch đại không ổn định. Đây là một chủ đề khác mà tôi yêu thích, nhưng tôi sẽ để dành cho một bài viết blog khác.

Power supply layout guidelines — *Quy định đơn giản này có thể xử lý công suất vừa phải trên một PCB 2 lớp. Rare d mark hari s’ archive and foo w aong with tis p Roger CT..*

Với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong Altium Designer®, bạn có thể áp dụng các hướng dẫn bố trí cho nguồn cung cấp chuyển mạch mà tôi đã trình bày ở đây. Bạn cũng sẽ có các công cụ bạn cần để tìm kiếm IC điều chỉnh, linh kiện cho các mạch điều chỉnh lớn hơn, và các linh kiện khác cho hệ thống của bạn. Đối với các tính toán nâng cao liên quan đến EMI dẫn hoặc bức xạ, người dùng Altium Designer có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế của họ vào máy giải Ansys. Cặp ứng dụng giải pháp trường và thiết kế này giúp bạn xác minh bố trí của mình trước khi bạn bắt đầu một lần chạy mẫu.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.

How to Create a PCB Layout from a Schematic Top 5 PCB Design Rules Board Layout with Altium Designer PCB Layout and Placement Guidelines PCB Component Placement (Webinar) Rules-Based Component Placement Enterprise PCB Layout Capabilities Design Rules Available for PCB Layout in Altium Designer

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.