Bố trí Bộ điều chỉnh Chuyển đổi: Một hay Hai Lớp?

Hãy xem xét bố cục điều chỉnh chuyển mạch tiêu biểu trên một PCB; thường thì mọi thứ được đặt trên một lớp duy nhất vì nhiều lý do. Đôi khi, như trong các tình huống công suất thấp, mạch chỉ đơn giản là nhỏ về mặt vật lý, vì vậy thực sự không cần thiết phải sử dụng hai lớp để tiết kiệm không gian. Đối với các bộ điều chỉnh chuyển mạch lớn hơn, kích thước vật lý lớn của các thành phần có nghĩa là việc đặt trên hai lớp có thể tiết kiệm một số không gian theo lý thuyết, nhưng điều này làm cho việc đặt trong một vỏ bọc trở nên khó khăn hơn do các ràng buộc về lắp đặt.

Khi bạn có một bộ điều chỉnh chuyển mạch kích thước trung bình, có thể có một số linh kiện rời và một số MOSFET, bạn có một số linh hoạt để đặt mọi thứ trên hai lớp vì bạn thường không có các bộ phận cơ khí lớn (tản nhiệt hoặc quạt) hoặc tụ điện/ cuộn cảm cao. Bạn nên đặt mọi thứ trên một lớp hay hai lớp, và điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất?

Hóa ra, ảnh hưởng chính của việc đặt linh kiện trên hai lớp là về parasitics và sự cộng hưởng nhiễu. Bạn có thể làm cho thiết kế nhỏ gọn hơn và có khả năng giảm bức xạ/nhận EMI, nhưng bạn có thể tạo ra sự cộng hưởng mạnh với các kết nối lân cận nếu không được bố trí đúng cách. Hãy cùng xem xét kỹ hơn để xem nhiễu bắt đầu tạo ra vấn đề ở đâu và đâu là một số giải pháp để ngăn chặn sự cộng hưởng nhiễu.

Nhiễu trong Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch Một Lớp và Hai Lớp

Tất cả bộ điều chỉnh chuyển mạch đều tạo ra nhiễu tại nút dV/dt và vòng lặp dI/dt của chúng. Đối với các cấu trúc phức tạp hơn, như cấu trúc cầu nửa/hẳn, nút chuyển mạch có thể di chuyển giữa các vị trí khác nhau trong thiết kế tùy thuộc vào sự chênh lệch pha giữa các FET chuyển mạch. Nếu có một mạch PFC trên bảng mạch và nó đang hoạt động trong chế độ dẫn quan trọng, thì nó sẽ điều chỉnh sâu tại các nút chuyển mạch cao và thấp của mình để tạo ra các đỉnh dV/dt cao. Dù trường hợp nào đi nữa, nút dV/dt sẽ xác định vị trí của vòng lặp dI/dt. Cùng nhau, chúng sẽ xác định cách nhiễu có thể được cộng hưởng xung quanh thiết kế.

Sơ đồ mạch chuyển đổi buck ví dụ dưới đây cho thấy những nút này tồn tại ở đâu. Có thể vẽ các sơ đồ tương tự cho bộ chuyển đổi boost, hoặc cho một topologi cô lập. Nút chuyển mạch và vòng dòng điện dao động được chỉ ra trong sơ đồ; đây là những điểm mà mạch sẽ phát ra tiếng ồn nhiều nhất.

Loại mạch này có thể được bố trí sử dụng một trình điều khiển cổng để tạo ra xung PWM và điều chế Q1. Các topologi cầu hoặc cộng hưởng tiên tiến hơn cơ bản sẽ làm cùng một việc, nhưng vòng dòng điện và nút dV/dt có thể chuyển đổi giữa các điểm khác nhau tùy thuộc vào topologi.

Trong việc xác định nơi để đặt các linh kiện (bố trí PCB một lớp so với hai lớp), bạn sẽ cân nhắc giữa diện tích chiếm dụng bởi bộ điều chỉnh so với tiếng ồn chuyển mạch mà bộ điều chỉnh có thể kết nối vào các mạch khác. Để thấy một số ưu điểm của mỗi phong cách, hãy xem một số ví dụ.

Ví dụ Bố Trí PCB Một Lớp

Trong ví dụ này, tôi sẽ xem xét một IC điều chỉnh buck (TPS562201 từ Texas Instruments) có thể cung cấp lên đến 2 A dòng điện. Mạch sử dụng một vòng phản hồi với một bộ chia điện trở để cảm nhận điện áp đầu ra và điều chỉnh một bộ đếm thời gian một lần để kích hoạt MOSFET nội bộ sẽ tạo ra sự chuyển mạch. Do đó, vòng dI/dt đầu ra sẽ bao trùm mặt đất trên die của IC và sẽ cần có mặt đất đồng nhất bên dưới nó.

Chúng ta có hai mục tiêu khi chuyển mạch này sang bố trí:

1. Ngăn chặn tiếng ồn dV/dt từ SW_OUT và tiếng ồn từ sự kết hợp từ trường đến vòng phản hồi thông qua dung kháng nhiễu và cảm kháng nhiễu.
2. Đảm bảo vòng dI/dt càng nhỏ càng tốt để nó không phát ra sóng mạnh và để cảm kháng của các dẫn trong vòng này không gây ra sự vọt quá mức trong quá trình chuyển mạch.

Một ví dụ về cách tiếp cận điển hình để bố trí một bộ điều chỉnh chuyển mạch nhỏ trên PCB được hiển thị dưới đây. Tôi đã phác thảo sơ bộ đường đi của dòng chuyển mạch trên bảng mạch để chúng ta có thể thấy nơi thiết kế có khả năng phát ra bức xạ. Cấu trúc sử dụng 4 lớp. Trong thiết kế này, chúng ta có một đường dẫn phản hồi từ R1 trở lại U1 (đường dẫn trên Lớp 2), cũng như nút chuyển mạch bằng đồng lớn (SW_OUT).

Đường dẫn phản hồi có thể dễ bị nhiễu ghép nối, điều này khá quan trọng trong ứng dụng này. Dòng này được sử dụng để xác định khi nào một bộ đếm thời gian một lần cần được đặt lại để MOSFET nội bộ có thể được kích hoạt cho chu kỳ chuyển mạch tiếp theo. Do đó, bạn sẽ muốn tránh nhiễu mạnh và đảm bảo phép đo phản hồi chính xác. Trong ví dụ này, đặt nó trên Lớp 2 và bao quanh nó bằng đất là một chiến lược tốt để đảm bảo độ tự cảm thấp. Bảo vệ đường dẫn này khỏi nhiễu chuyển mạch từ L1 có thể được thực hiện theo ba cách:

1. Giữ nó ở lớp dưới và di chuyển xa hơn khỏi L1 và SW_OUT
2. Đặt nó trên lớp trên, bao quanh nó bằng một lớp đồng và bảo vệ nó bằng các via chuyển mạch có kích thước cẩn thận
3. Đặt dấu vết ở lớp sau để nó được bảo vệ hoàn toàn bởi GND

Nếu chúng ta muốn chọn phương án #3, chúng ta cũng nên đặt tụ đầu ra ở lớp sau luôn! Hãy xem điều này trông như thế nào.

Thận trọng với Mạch Điều Chỉnh Hai Lớp

Mạch hai lớp với vòng dòng điện ở phía đầu ra là lựa chọn hấp dẫn cho việc bố trí trên hai lớp. Sắp xếp này đôi khi được gọi là thiết kế vỏ sò do cách bố trí phần LC trong bộ điều chỉnh. Lý do chính bạn có thể chọn loại định tuyến này là để kiểm soát các thành phần nhiễu, từ đó giúp bạn kiểm soát việc nhiễu chuyển mạch lan sang các mạch khác. Điều này rất mong muốn nếu bạn đang bố trí một bộ điều chỉnh công suất kích thước nhỏ có thể gần với các mạch khác.

Mạch hai lớp đã được chỉnh sửa của chúng tôi được hiển thị bên dưới (Lớp 1 được tập trung). Tôi đã để U1, C5 và L1 ở lớp trên cùng; tất cả các linh kiện phụ nhỏ hơn đều ở lớp dưới cùng. Nếu bo mạch này được đặt vào một vỏ bảo vệ với các chân đế nhỏ, nó sẽ không gặp vấn đề gì với các linh kiện cồng kềnh trên hai lớp. Chúng tôi cũng có thể làm cho bo mạch nhỏ hơn nhiều so với bố cục trước đó.

Lớp dưới cùng được hiển thị bên dưới. Bằng cách chuyển các linh kiện phụ sang lớp dưới cùng, chúng tôi đã thu hẹp vòng lặp phản hồi sao cho nó có độ tự cảm thấp hơn và hoàn toàn được che chắn khỏi L1 bởi mặt đất trên Lớp 2 và 3. Một lợi ích khác là SW_OUT; nó cũng hoàn toàn được che chắn khỏi vòng lặp phản hồi.

Làm thế nào chúng ta có thể cải thiện bố cục?

Tôi tin rằng không có bố cục nào là hoàn hảo, và luôn có một số cải tiến có thể được thực hiện. Bố cục trên về mặt kỹ thuật sẽ hoạt động, nhưng một vài thay đổi trong bố cục sẽ mang lại ích lợi và giúp bố cục trở nên gọn gàng hơn một chút. Nhược điểm của bố cục là từ trường được tạo ra dọc theo bề mặt của bảng mạch, vì vậy chúng ta không thể đặt bất kỳ tín hiệu dữ liệu nào dọc theo các cạnh trên và dưới của PCB. Đây là điều cần ghi nhớ khi đặt thiết kế này vào một bố cục khác sẽ bao gồm một số tín hiệu dữ liệu.

Cách khác để cải thiện bố cục là đặt những điện trở phản hồi và đường dẫn phản hồi. Lý tưởng nhất, chúng ta muốn có những điện trở này (R1 và R2) gần hơn với chân phản hồi. Nếu những điện trở này là điện trở cảm biến dòng, thì chúng ta cũng muốn thực hiện kết nối Kelvin để đảm bảo sự thay đổi thấp nhất có thể của điện trở mạng lưới phản hồi. Mặc dù việc đặt chúng trên lớp sau và thêm một số GND giúp tăng cường bảo vệ, nhưng tốt hơn hết là đặt những điện trở này gần chân phản hồi để theo dõi chính xác nhất điện áp đầu ra.

Nếu chúng ta chỉ áp dụng một sự xoay 90 độ trên U1, và di chuyển các linh kiện xung quanh, chúng ta có thể làm cho bố cục trở nên gọn gàng hơn và giảm kích thước bảng mạch.

Tôi thích cái này hơn vì hầu hết các nút SW_OUT đều nằm trên GND, thay vì nằm trên đường dẫn phản hồi. Vòng lặp dI/dt qua C3 và C4 cũng chặt chẽ hơn nhiều. Việc di chuyển các điện trở phản hồi cũng giúp giảm kích thước tổng thể của bố trí PCB.

Nếu đây chỉ là một mô-đun điều chỉnh đơn giản và tổng số lớp đồng là 2 lớp, thì chúng ta sẽ không có bất kỳ cách nào khác để bảo vệ các đường dẫn nhạy cảm khỏi nút chuyển mạch ngoại trừ việc di chuyển các đường dẫn xa hơn khỏi SW_OUT và tăng tổng khoảng cách định tuyến. Nếu bố trí này được sử dụng trong một sản phẩm thực tế với một số thành phần khác, thì bạn có thể sẽ có một lớp GND đổ hoặc toàn bộ mặt phẳng GND trên một lớp nội bộ (ví dụ, ít nhất là một bảng 4 lớp). Điều này cung cấp cho bạn một cách để giảm thêm cả độ tự cảm của vòng cho đường dẫn phản hồi/SW_OUT và để chặn các đường dẫn điều khiển này khỏi nút SW, do đó cung cấp cho bạn một số bảo vệ khỏi sự cộng hưởng tiếng ồn.

Phóng To

Nếu bạn hiểu những nguyên tắc này với một MOSFET đơn, bạn có thể mở rộng chúng để áp dụng cho bộ chuyển đổi đồng bộ với hai MOSFET, hoặc cho bộ chuyển đổi cầu nâng cao hơn, bộ chuyển đổi cộng hưởng, hoặc bộ chuyển đổi đa pha. Những bố trí này phức tạp hơn bởi vì có nhiều vị trí hơn nơi mà nhiễu có thể kết nối với các mạch khác trong bố trí PCB của bạn. Tuy nhiên, việc tuân theo các nguyên tắc về nhiễu kết nối ở trên sẽ giúp đảm bảo bạn thành công nếu bạn đang thiết kế các cấu trúc nguồn nâng cao hơn.

Khi bạn cần đặt và định tuyến bố trí bộ chuyển đổi chuyển mạch của mình, hãy sử dụng các tính năng CAD trong Altium Designer®. Bạn sẽ có tự do nhanh chóng đặt các thành phần trên bất kỳ lớp nào và thiết lập stackup của mình để giúp kiểm soát nhiễu. Khi bạn sẵn sàng chia sẻ thiết kế của mình với các cộng tác viên hoặc nhà sản xuất của bạn, bạn có thể chia sẻ thiết kế hoàn chỉnh của mình thông qua nền tảng Altium 365™. Tất cả những gì bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử nâng cao có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.