Hướng dẫn Thiết kế PCB cho Nguồn cấp Điện Chế độ Chuyển mạch

Các nhà thiết kế nguồn cung cấp điện hiểu rõ các chi tiết kỹ thuật phức tạp và yêu cầu chức năng liên quan đến bố trí PCB nguồn cung cấp điện chế độ chuyển đổi. Bố trí này quyết định khả năng chịu đựng trước nhiễu điện từ (EMI), hành vi nhiệt, tính toàn vẹn của nguồn điện, và an toàn. Một bố trí tốt đảm bảo hiệu suất chuyển đổi và cung cấp điện năng cao đến tải trong khi cho phép vận chuyển nhiệt ra khỏi các thành phần nóng trong bố trí, và nó đảm bảo sự kết hợp tiếng ồn thấp xung quanh hệ thống điện tử. An toàn cũng là một yếu tố quan trọng trong các bộ điều chỉnh chuyển đổi, có thể cung cấp dòng điện cao đến đầu ra, tạo ra một mối nguy hiểm về an toàn.

Những lựa chọn bố trí kém sẽ giới thiệu các vấn đề xảy ra ở mức dòng điện cao và trở nên rõ ràng với sự chênh lệch lớn giữa điện áp đầu vào và đầu ra. Các vấn đề thường gặp của nguồn cung cấp điện với bố trí PCB kém bao gồm mất điều chỉnh ở dòng điện ra cao, tiếng ồn quá mức trên đầu ra và hình sóng chuyển đổi, và sự không ổn định của mạch. Với sự kết hợp của các công cụ mô phỏng tính toàn vẹn nguồn DC, tính năng mô phỏng và phân tích mạch, và bộ công cụ bố trí và định tuyến tốt nhất, các nhà thiết kế có thể đảm bảo thiết bị của họ sẽ an toàn và đáng tin cậy. Altium Designer cung cấp phần mềm bố trí PCB nguồn cung cấp điện và nhiều hơn nữa giúp ngăn chặn những vấn đề này.

ALTIUM DESIGNER

Phần mềm thiết kế PCB giúp bạn tuân theo các hướng dẫn bố trí PCB nguồn cung cấp điện chế độ chuyển đổi.

Nguồn cấp điện đối mặt với nhiều thách thức và đòi hỏi một bộ đầy đủ các tính năng thiết kế và phân tích để đảm bảo chúng hoạt động đúng cách. Những thiết kế này cũng có thể tạo ra các nguy cơ an toàn, có thể gây hại cho người sử dụng, cả qua tiếp xúc với điện áp cao và sự phóng điện đột ngột vào người dùng. Làm thế nào để các nhà thiết kế có thể đảm bảo họ có thể xây dựng nguồn cấp điện an toàn, chính xác và đáng tin cậy?

Nguồn cấp điện chuyển mạch là tiêu chuẩn để chuyển đổi giữa AC chỉnh lưu dòng cao và điện áp cao thông qua việc sử dụng một phần tử công suất chuyển mạch trong một mạch phản ứng. Các thành phần này là phi tuyến và thường sử dụng phản hồi để duy trì điều chỉnh, trái ngược với bộ điều chỉnh LDO thông thường. Trong một LDO, điều chỉnh được duy trì thông qua sự bão hòa của một bộ khuếch đại lỗi, tạo ra tổn thất điện trở được thấy dưới dạng nhiệt trong bố cục PCB.

Trong khi các bộ điều chỉnh chuyển mạch được ưa chuộng từ quan điểm điều chỉnh và hiệu quả, chúng có thể khó bố trí vì chúng liên quan đến nhiều thành phần hơn, một số trong số đó sẽ có các đặc tính lớn hơn và có thể dễ bị ảnh hưởng bởi vấn đề nhiễu nếu không được sắp xếp đúng cách. Để bắt đầu với bố cục nguồn cấp điện của bạn tiếp theo, hãy tuân theo các hướng dẫn bố cục PCB nguồn cấp điện chuyển mạch này để bạn có thể đảm bảo thiết kế của mình đáng tin cậy.

Bắt đầu Bố cục PCB SMPS của Bạn

Có một số quy tắc cơ bản về bố trí PCB SMPS cần tuân theo sẽ giúp đảm bảo thiết kế của bạn có vấn đề tiếng ồn thấp, EMI phát ra thấp và duy trì ở nhiệt độ thấp. Rộng lớn, những hướng dẫn này có thể được tóm tắt như sau:

• Hãy cố gắng giữ EMI thấp bằng cách xác định đúng đất, đặt các tuyến đường ngắn trong bố trí PCB, và sắp xếp các phần cách ly galvanic trong PCB sao cho không có sự cộng hưởng tiếng ồn.
• Sử dụng các mạch lọc EMI đầu vào và đầu ra phù hợp khi cần thiết nếu có tiếng ồn trong bố trí, các tính năng như theo dõi bao thư cần thiết, hoặc các nguồn tiếng ồn cụ thể đang gây ra vấn đề trong thiết kế.
• Sử dụng nhiều đồng để cung cấp một lối đi cho sự tản nhiệt ra xa khỏi các thành phần quan trọng. Nếu cần, bạn có thể xem xét thiết kế vỏ độc đáo, cũng như tản nhiệt hoặc quạt trên các thành phần nóng.
• Đặt các mạch chuyển mạch nhanh, dòng điện cao như mảng MOSFET sao cho không có dao động nhiễu trong thiết kế khi có sự kiện chuyển mạch.

Các cơ quan quản lý như Underwriter Laboratories và IEC kiểm tra nguồn cung cấp điện về sự nhiễu điện từ phát ra (EMI), nhiễu điện từ dẫn, ổn định, hiệu suất và tuổi thọ hoạt động. Quy định của FCC và CE cũng đặt giới hạn về lượng phát thải từ các nguồn cung cấp điện chuyển mạch vì những thiết bị này có thể là bộ phát không mong muốn. Altium Designer cung cấp các công cụ phân tích mạch bạn cần để tìm hiểu thêm về hành vi điện của thiết bị của mình, và công cụ thiết kế PCB có thể giúp bạn tạo ra một bố cục thoả mãn các yêu cầu trên trong khi xem xét các thông số kỹ thuật điện được mô phỏng của bạn.

Hãy Cẩn Thận Khi Định Nghĩa Mặt Đất

Nguyên tắc đầu tiên cần xem xét khi thiết kế bố cục PCB cho nguồn cung cấp điện chuyển mạch là cách định nghĩa mặt đất trong bố cục. Khi bạn thiết kế mạch nguồn cung cấp điện chuyển đổi của mình, hãy nhớ rằng có năm điểm mặt đất tồn tại. Những điểm này có thể được tách ra thành các dẫn khác nhau để đảm bảo cách ly galvanic. Đây là:

• Nguồn cấp dòng cao mắc nối đất
• Nguồn cấp vòng dòng cao mắc nối đất
• Đầu ra bộ chỉnh lưu dòng cao mắc nối đất
• Đầu ra tải dòng cao mắc nối đất
• Nối đất điều khiển mức thấp

Mỗi kết nối nối đất này có thể tồn tại trên các dẫn điện riêng biệt, tùy thuộc vào nhu cầu cách ly galvanic trong mạch chuyển đổi, bộ chỉnh lưu, hoặc mạch điều chỉnh. Mạch cung cấp điện của bạn có thể nhận nhiễu chế độ chung nếu các nối đất được ghép nối thông qua điện dung, như thường có thể xảy ra qua vỏ dẫn điện gần đó. Các khu vực nối đất trên PCB nên được xác định rõ ràng ở mỗi bên của các thành phần cách ly, như

Nếu, vì lý do nào đó, các nối đất cần phải được cầu nối để loại bỏ một số dịch chuyển DC, một tụ điện loại Y là lựa chọn tốt nhất vì điều này cung cấp bộ lọc tần số cao và loại bỏ dịch chuyển DC giữa các khu vực nối đất.

Mỗi mặt đất dòng cao đóng vai trò là một chân của các vòng dòng, nhưng nó nên được bố trí để cung cấp một đường trở lại có trở kháng thấp cho các dòng điện. Điều này có thể yêu cầu nhiều via trở lại mặt đất để cho phép dòng điện cao với độ tự cảm tương đương thấp. Những điểm này và điện thế mà chúng đặt tại so với mặt đất hệ thống trở thành điểm để đo các tín hiệu DC và AC truyền giữa các điểm khác nhau của mạch. Do nhu cầu ngăn chặn tiếng ồn từ các mặt đất AC dòng cao thoát ra, cực âm của tụ lọc thích hợp đóng vai trò là điểm kết nối cho các mặt đất dòng cao.

Phương pháp tốt nhất để xác định các khu vực nối đất là sử dụng các mặt phẳng lớn hoặc đổ đa giác. Những khu vực này cung cấp đường dẫn có trở kháng thấp để tiêu tán nhiễu khỏi đầu ra DC, và chúng có thể xử lý dòng điện trở lại cao. Chúng cũng cung cấp một lối đi cho việc vận chuyển nhiệt khỏi các thành phần quan trọng khi cần thiết. Đặt một mặt phẳng nối đất ở cả hai mặt hấp thụ EMI bức xạ, giảm nhiễu và giảm lỗi vòng nối đất. Trong khi hoạt động như lá chắn tĩnh điện và tiêu tán EMI bức xạ trong các dòng điện xoáy, các mặt phẳng nối đất cũng tách biệt các đường dẫn và thành phần của mặt phẳng nguồn khỏi các thành phần của mặt phẳng tín hiệu. Công cụ CAD của Altium Designer giúp dễ dàng xác định nối đất trong bố cục PCB của bạn và đặt các dẫn lớn để sử dụng làm các khu vực nối đất trong PCB của bạn. Đặc biệt khi làm việc với nguồn cung cấp điện chuyển mạch, bạn có thể sử dụng một mặt phẳng nối đất ở cả hai mặt của PCB và kết nối chúng với nhau bằng vias để đảm bảo tiềm năng nhất quán trên các nối đất của bạn.

• Các khu vực nối đất trong một thiết kế có thể được đặt tên khác nhau tùy thuộc vào chức năng của chúng. Hãy cẩn thận khi xác định các khu vực nối đất trong thiết kế của bạn và đảm bảo liên kết chúng một cách đúng đắn.
  Tìm hiểu thêm về nối đất trái đất, nối đất số và nối đất tương tự cho các bảng mạch.
• Các mặt đất (ground planes) rất quan trọng trong các hệ thống ngoài bố trí mạch in nguồn điện. Hãy đảm bảo bạn xác định các kết nối để có trở kháng thấp mà không ảnh hưởng đến việc lắp ráp.
  Tìm hiểu thêm về cách tạo một mặt đất trong Altium Designer.
• Nhiễu chế độ chung và nhiễu lan truyền là các nguồn nhiễu chính trong bố trí PCB và chúng có thể khiến thiết kế không vượt qua được kiểm tra EMI khi nhiễu ở mức độ cực đoan.
  Tìm hiểu thêm về EMI trong nguồn điện và một số bước để giảm bớt nó.

Trình Biên Tập Sơ Đồ Hỗ Trợ Bố Trí

Đấu nối mặt đất là một điểm khởi đầu quan trọng trong thiết kế vì nó sẽ quyết định khả năng miễn dịch nhiễu và khả năng định tuyến của bố trí PCB. Tuy nhiên, đó không phải là yếu tố duy nhất cần xem xét trong thiết kế nguồn điện. Hoạt động chuyển mạch và sự kìm hãm EMI được tích hợp vào nguồn điện và cần được xác định rõ ràng trong PCB.

Nơi Đấu Nối Mặt Đất

Khả năng của bộ điều khiển SMPS để điều chỉnh chính xác điện áp đầu ra phụ thuộc vào việc kết nối mặt đất điều khiển mức thấp. Khi bạn làm việc với các mạch tích hợp, tụ điện đầu vào, tụ điện đầu ra và diode đầu ra, hãy đảm bảo rằng các thành phần được kết nối với một mặt đất chung. Kết nối mặt đất được gắn với điểm mà IC điều khiển và mạch liên quan của nó đo dòng điện AC, dòng điện DC, điện áp đầu ra và các thông số chính khác. Kết nối mặt đất mức thấp với phía dưới của điện trở cảm biến dòng điện hoặc bộ chia điện áp đầu ra ngăn chặn mạch điều khiển cảm nhận nhiễu chế độ chung.

Thiết kế Hành Động Chuyển Mạch

Một SMPS hoạt động bằng cách chuyển đổi nhanh các đơn vị thông qua giữa trạng thái hoạt động cắt và trạng thái hoạt động bão hòa, và cung cấp công suất không đổi cho tải đầu ra. Tại trạng thái cắt, điện áp cao tồn tại qua đơn vị thông qua nhưng không có dòng điện chảy qua. Tại trạng thái bão hòa, dòng điện cao chảy qua đơn vị thông qua với một sự sụt áp rất nhỏ. Bởi vì công tắc bán dẫn tạo ra một điện áp AC từ điện áp DC đầu vào, SMPS có thể tăng hoặc giảm điện áp với các biến áp và sau đó lọc lại điện áp về DC ở đầu ra.

Các nguồn cấp điện chuyển mạch sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) hoạt động theo chế độ tiến (forward-mode) hoặc chế độ tăng áp (boost mode). Các nguồn cấp chế độ tiến có bộ lọc L-C ở đầu ra tạo ra điện áp đầu ra DC từ trung bình volt-thời gian của tín hiệu đầu ra thu được từ bộ lọc. Để kiểm soát trung bình volt-thời gian của tín hiệu, bộ điều khiển nguồn cấp điện chuyển mạch thay đổi chu kỳ làm việc của điện áp hình chữ nhật đầu vào.

Chuyển đổi Buck so với Chuyển đổi Boost

Chế độ cung cấp chuyển đổi Boost kết nối một cuộn cảm trực tiếp qua nguồn điện áp đầu vào khi công tắc điện bật. Dòng điện qua cuộn cảm tăng từ không và đạt đến đỉnh cùng lúc với việc tắt công tắc điện. Một bộ chỉnh lưu đầu ra kẹp điện áp đầu ra của cuộn cảm và ngăn điện áp vượt quá điện áp đầu ra của nguồn cấp. Khi năng lượng lưu trữ trong lõi của cuộn cảm chuyển sang tụ điện đầu ra, cực chuyển mạch của cuộn cảm quay trở lại mức điện áp đầu vào.

Trong khi đó, chế độ sử dụng bộ chuyển đổi buck sử dụng cùng một bộ phận, nhưng trong một cấu trúc khác nhau để kẹp điện áp cảm ứng ngược của cuộn cảm ở mức thấp hơn so với điện áp đầu vào. Hành động chuyển mạch cung cấp hiệu ứng tương tự như trong bộ tăng áp, nơi dòng điện ra dao động cạnh tranh với việc sạc/xả tụ điện, do đó cho phép điều chỉnh công suất ra. Cả hai loại cấu trúc điều chỉnh/chuyển đổi sẽ cho phép tiếng ồn chuyển mạch lan truyền đến các cổng ra trong thiết kế, có thể được nhìn thấy như một dạng sóng cao tần trên đầu ra.

Điều Hướng Nguồn Điện Giúp Đảm Bảo Hoạt Động Ít Tiếng Ồn

Các nguồn cung cấp điện chuyển đổi dẫn tiếng ồn tần số cao cho đến khi tần số tiếng ồn đạt khoảng 100 lần tần số chuyển đổi. Sau đó, tần số tiếng ồn giảm với tốc độ từ -20 đến -40 dB mỗi thập kỷ. Bởi vì các bộ điều chỉnh chuyển đổi hoạt động với các trạng thái công suất “bật” và “tắt”, các xung dòng điện lớn với các cạnh sắc nét chảy trong mạch nguồn điện chuyển đổi và—kết quả là—tạo ra EMI. Sự chuyển đổi giữa các trạng thái công suất BẬT và TẮT tạo ra EMI, có thể được gây ra ở nơi khác trong hệ thống của bạn nếu các vòng dòng điện trong bố cục nguồn điện quá lớn. Mạch nguồn điện chuyển đổi bao gồm một vòng công tắc nguồn và các vòng chỉnh lưu ra, và những cái này cần được điều hướng đúng cách để ngăn chặn tiếng ồn quá mức.

Khi bố trí nguồn cung cấp, hãy chú ý đặc biệt đến chu vi của các vòng lặp và chiều dài và chiều rộng của các đường dẫn. Giữ cho chu vi vòng lặp nhỏ loại bỏ khả năng vòng lặp hoạt động như một ăng-ten nhiễu tần số thấp. Từ góc độ hiệu quả mạch, các đường dẫn rộng hơn cũng cung cấp thêm khả năng tản nhiệt cho công tắc điện và bộ chỉnh lưu. Bạn có thể sử dụng động cơ định tuyến active route để đạt được kết quả định tuyến như con người và sắp xếp các thành phần của bạn để cho phép các vòng lặp dòng điện chuyển mạch dẫn trong cùng một hướng. Với các vòng lặp dòng điện dẫn trong cùng một hướng, mạch điều khiển kết nối với các điểm cụ thể trên bố trí. Kết quả là, trường từ không thể đảo ngược dọc theo các đường dẫn nằm giữa hai nửa chu kỳ và tạo ra EMI phát xạ.

• Công cụ định tuyến của Altium Designer giúp bạn dễ dàng đặt các đa giác cho các đường dẫn dòng điện cao/điện áp cao, hoặc các đường dẫn mảnh hơn cho dữ liệu và đường dẫn điều khiển.
  Tìm hiểu thêm về cách định tuyến bố trí nguồn cung cấp của bạn trong Altium Designer.
• Khi làm việc với bố trí nguồn cung cấp, giữ cho các đường dẫn xử lý dòng điện chuyển mạch cao ngắn, trực tiếp và dày. Các tiêu chuẩn IPC có thể được sử dụng để tính toán chiều rộng đường dẫn khuyến nghị, mặc dù một quy tắc chung là chiều rộng tối thiểu 15 mils cho mỗi Ampere.
  Tìm hiểu thêm về cách tính toán chiều rộng đường dẫn để đảm bảo khả năng chịu tải dòng điện cao.
• Các bộ lọc EMI trong SMPS giảm tiếng ồn tần số cao do dòng điện tần số cao được dẫn trong dây điện vào và ra DC. Bạn có thể sử dụng giá cả và tính sẵn có của linh kiện tích hợp cũng như các liên kết datasheet tìm thấy trong Thư viện và Altium Content Vault để thiết kế các bộ lọc mang lại kết quả tốt nhất.
  Tìm hiểu thêm về mạch lọc EMI trong bố trí PCB của bạn.

Mẹo Bố Trí PCB cho Các Nút Điện Áp AC SMPS

Tùy thuộc vào cấu hình SMPS, các nút điện áp AC tồn tại tại drain của MOSFET công suất hoặc collector của một BJT và các anode của các bộ chỉnh lưu ra. Mỗi nút này có thể có điện áp AC cao. Ví dụ, điện áp AC từ đỉnh này sang đỉnh khác tìm thấy tại drain của MOSFET có thể đo được từ một đến hai lần điện áp vào. Với drain được gắn vào một tản nhiệt qua một cách điện, tản nhiệt nối đất cung cấp một lối cho tiếng ồn được ghép nối tụ điện. Bạn có thể sử dụng công cụ bố trí PCB trong Altium Designer để đặt các tín hiệu dễ bị ảnh hưởng ở cùng một bên thay vì phía dưới một nút AC ồn ào. Ngoài ra, bạn có thể chéo hạch bất kỳ mặt đất nào nằm dưới nút để loại bỏ tiếng ồn.

Môi trường gắn bề mặt có giá trị điện dung nhỏ hơn nhưng có thể gây nhiễu vào các tín hiệu nhạy cảm. Vì những yếu tố đó, bố cục của bạn cũng cần giải quyết khả năng ghép nối điện dung của các điện áp nút AC vào tản nhiệt hoặc các mặt đất liền kề. Khi thiết kế bố cục PCB gắn bề mặt, hãy làm cho các nút đủ lớn để phục vụ như là tản nhiệt cho công tắc nguồn hoặc chỉnh lưu. Một số thiết kế đa lớp tăng khối lượng nhiệt của thiết kế bằng cách làm cho tất cả các lớp dưới nút AC giống hệt nút AC và kết nối các lớp với lỗ thông hồng mạ.

Altium Designer Cung Cấp Cho Bạn Bộ Công Cụ Thiết Kế và Bố Cục Đầy Đủ

Bộ đầy đủ các tính năng thiết kế và bố cục PCB trong Altium Designer cung cấp cho bạn các công cụ bạn cần để tạo ra các hệ thống điện an toàn và đáng tin cậy. Bạn cũng có thể tạo và mô phỏng các cấu trúc mạch cung cấp điện quan trọng và bộ lọc EMI có thể được sử dụng trong bất kỳ ứng dụng nào, từ hệ thống DC công suất cao đến hệ thống AC tần số cao. Plug-in PDN Analyzer cho Altium Designer cung cấp các nguồn lực tốt nhất cho phân tích dòng điện và điện áp DC của mạch. Thiết kế bố cục PCB cho nguồn cung cấp điện chuyển mạch có thể có vẻ đáng sợ, nhưng Altium Designer cung cấp các công cụ phá vỡ độ phức tạp của nguồn cung cấp điện thành các nhiệm vụ dễ hiểu.

• Altium Designer cung cấp cho bạn mọi thứ cần thiết để biến ý tưởng của bạn thành hiện thực. Bạn có thể xây dựng bất cứ thứ gì từ mạch MOSFET đơn giản đến thiết kế nguồn cung cấp điện RF tiên tiến trong Altium Designer.
  Tìm hiểu thêm về công cụ thiết kế PCB tích hợp của Altium Designer.
• Phần mở rộng PDN Analyzer trong Altium Designer cho phép người dùng phân tích đầu ra nguồn cung cấp điện của họ với các mô phỏng tính toán độ tin cậy điện DC theo tiêu chuẩn ngành.
  Tìm hiểu thêm về plugin PDN Analyzer cho Altium Designer.
• Tất cả người dùng Altium Designer có thể chia sẻ thiết kế nguồn cung cấp điện của họ thông qua nền tảng Altium 365. Các đội thiết kế sử dụng Altium 365 để duy trì hiệu suất làm việc và chia sẻ dữ liệu thiết kế trong một môi trường đám mây an toàn.
  Tìm hiểu thêm về việc chia sẻ dữ liệu thiết kế PCB của bạn trên Altium 365.

Mục tiêu của Altium luôn là cung cấp cho người dùng một trải nghiệm thiết kế gọn gàng trong một giao diện thiết kế thống nhất. Trình chỉnh sửa sơ đồ, trình chỉnh sửa PCB, gói mô phỏng SPICE, các tính năng định tuyến và công cụ mô phỏng trong Altium Designer cung cấp cho bạn mọi thứ cần thiết để xây dựng nguồn cung cấp điện an toàn, đáng tin cậy, không tiếng ồn. Khi bạn cần một bộ công cụ tạo và quản lý linh kiện đầy đủ, hãy sử dụng các tiện ích ECAD tốt nhất của ngành để tạo và mô phỏng thiết kế của bạn.

Altium Designer trên Altium 365 mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong lĩnh vực phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ nhà và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

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 Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.