PCB-Neuigkeiten - PCB-Design von eingebetteten Schaltnetzteilen

In jedem Schaltnetzteil, die physikalische Gestaltung der Leiterplatte ist der letzte Link. Wenn die Konstruktionsmethode falsch ist, Die Leiterplatte kann übermäßige elektromagnetische Störungen ausstrahlen und dazu führen, dass die Stromversorgung instabil arbeitet. Als Designer, Sie müssen das physikalische Funktionsprinzip der Schaltung verstehen und eine hochwertige Leiterplatte entwerfen.

Das Schaltnetzteil enthält hochfrequente Signale. Jede gedruckte Linie auf der Leiterplatte kann als Antenne fungieren. Die Länge und Breite der gedruckten Linie beeinflusst ihre Impedanz und Induktivität, dadurch den Frequenzgang beeinflussen. Even printed lines that pass DC signals can couple to radio frequency signals from adjacent printed lines and cause circuit problems (and even radiate interfering signals again). Daher, Alle gedruckten Linien, die Wechselstrom passieren, sollten so kurz und breit wie möglich sein, Das bedeutet, dass alle Komponenten, die mit den gedruckten Leitungen und anderen Stromleitungen verbunden sind, sehr nah platziert werden müssen. Die Länge der gedruckten Linie ist proportional zu ihrer Induktivität und Impedanz, und die Breite ist umgekehrt proportional zur Induktivität und Impedanz der gedruckten Linie. Die Länge spiegelt die Wellenlänge der Drucklinie wider. Je länger die Länge, je niedriger die Frequenz, mit der die gedruckte Leitung elektromagnetische Wellen senden und empfangen kann, und es kann mehr Hochfrequenzenergie ausstrahlen.
Die Wahl des richtigen MOSFETs für das Design von Netzschaltern oder Synchrongleichrichterfunktionen kann auch dazu beitragen, elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Wenn das MOSFET-Gerät ausgeschaltet ist, low C▼oss▼ (like FDS6690A) can reduce spike interference.
Main current loop
The current loops of the three main switching power supply structures, auf ihre Unterschiede achten.
Jedes Schaltnetzteil verfügt über vier Stromschleifen, und die Schleifen sind relativ unabhängig. Auf einer gut gestalteten Leiterplatte, the order of importance is as follows:
Power switch AC circuit
output rectifier AC circuit
Input signal source current loop
output load current loop
The input signal source and output load current loop usually have no problems. Die Stromwellenform in diesen Schleifen ist eine Überlagerung eines großen Gleichstroms und eines kleinen Wechselstroms. Diese beiden Schleifen erfordern normalerweise spezielle Filter, um zu verhindern, dass AC-Geräusche in die Umgebung austreten. Die Ein- und Ausgangsstromschleifen sollten nur über die Klemme des Filterkondensators an die Stromversorgung angeschlossen werden.. Die Eingangsschaltung lädt den Eingangskondensator über einen ungefähren Gleichstrom auf, Es kann aber nicht die von der Schaltnetzversorgung benötigten Hochfrequenzstromimpulse liefern. Der Filterkondensator fungiert hauptsächlich als Breitbandenergiespeicher; ähnlich, Der Ausgangsfilterkondensator wird auch verwendet, um die Hochfrequenzenergie aus dem Ausgangsgleichrichter zu speichern und gleichzeitig die Gleichstrom-Energie der Ausgangslastschleife zu beseitigen. Daher, Die Anschlüsse der Ein- und Ausgangsfilterkondensatoren sind sehr wichtig. Wenn die Verbindung zwischen dem Eingang/Ausgangsschaltung und Netzschalter/Gleichrichterschaltung kann nicht direkt an die Anschlüsse des Kondensators angeschlossen werden, Die Wechselstromenergie "fließt" durch den Eingangs- oder Ausgangsfilterkondensator und strahlt in die Umgebung.
Die Stromwellenformen der beiden grundlegenden PWM-Betriebsarten erzeugen harmonische Stromwellenformen, die deutlich höher als die Schaltfrequenz sind.
Der Wechselstromkreis des Netzschalters und des Gleichrichters enthält eine trapezförmige Stromwellenform mit hoher Amplitude. Die harmonischen Komponenten in diesen Wellenformen sind sehr hoch, und ihre Frequenz ist viel größer als die Grundfrequenz des Schalters. Die Spitzenamplitude dieser Wechselstromströme kann bis zum 5-fachen der Amplitude des kontinuierlichen Eingangs betragen/Gleichstromausgang. Die Übergangszeit beträgt in der Regel etwa 50ns. Diese beiden Schleifen sind die am einfachsten zu erzeugenden elektromagnetischen Störungen.
Der Konstrukteur muss diese AC-Schleifen auslegen, bevor er andere gedruckte Leitungen in der Stromversorgung verdrahtet. The three main components of each loop (filter capacitor, Netzschalter oder Gleichrichter, inductor or transformer) should be placed adjacent to each other and adjusted Positioning the components so that the current path between them is as short as possible to ensure that the length of the current path is shortened.
Die gedruckten Leitungen in diesen Schaltungen haben auch den größten Einfluss auf die Messeffizienz des Konverters. Die Wahl von Paketen wie DPAK oder SO-8 kann die Signalübertragung bei gleichzeitiger Wärmeableitung durchführen. Produkte von Fairchild und anderen Lieferanten können die Funktionen der Wärmeableitung und Signalübertragung kombinieren.
Grounding is important
Grounding is the bottom branch of the current loop discussed earlier, aber es spielt eine wichtige Rolle als gemeinsamer Bezugspunkt für die Schaltung. Daher, Die Platzierung des Erdungsdrahts sollte sorgfältig im Layout berücksichtigt werden. Das Mischen verschiedener Erdungen führt zu instabilem Stromversorgungsbetrieb.
Drei wesentliche Erdungsschemata der Schaltnetzversorgungsstruktur.
Das Design sollte sicherstellen, dass ein anderer "Kontrollgrund" berücksichtigt wurde. Es ist der Erdungspunkt, der mit dem Steuerungs-IC und allen zugehörigen passiven Komponenten verbunden ist und extrem empfindlich ist. Daher, Es sollte nur platziert werden, nachdem andere Wechselstromkreise angelegt sind. Der Punkt, an dem die Steuermasse mit anderen Erdungen verbunden ist, ist etwas ganz Besonderes. Normalerweise, Der Anschlusspunkt befindet sich am gemeinsamen Ende aller Komponenten des Steuer-IC, die eine kleine Spannung induzieren. Diese Anschlusspunkte umfassen das gemeinsame Ende des stromempfindlichen Widerstands im Strommodus-Schaltwandler und das untere Ende des Ausgangswiderstands-Teilers. Seine Funktion ist es, einen rauscharmen Kelvin zwischen dem empfindlichen Element und dem Eingang herzustellen, der empfindlich auf Spannungsfehler oder Stromverstärkung ist. verbinden. Wenn die Steuermasse an einen anderen Punkt angeschlossen ist, Das in diesen zusätzlichen Schleifen erzeugte Rauschen wird dem Steuersignal überlagert, die den Betrieb des integrierten Steuerkreises beeinflussen.
Der Konstrukteur muss sicherstellen, dass jedes Hochstrom-Massegerät eine möglichst kurze und breite Drucklinie verwendet. Allgemein, Die gemeinsame Klemme des Filterkondensators sollte die einzige Anschlussstelle für die Kopplung anderer Erdungspunkte an die Hochstrom-AC-Masse sein.
High voltage AC node
There is a node in each switching power supply. Im Vergleich zu anderen Knoten, seine Wechselspannung ist die höchste. This node is the AC node that appears at the drain (or collector) of the power switch. In einem nicht isolierten DC/DC-Wandler, this node can also be connected to the inductor and (or output to) the rectifier; in the structure of the isolation transformer, Dieser Knoten ist von der Spule des Transformators getrennt. Es erscheint immer noch als öffentlicher Knoten in der elektrischen Leistung, aber es wird nur vom Transformator reflektiert, und jeder muss separat entworfen werden.
Dieser Knoten wird verschiedene Probleme haben. Seine Wechselspannung kann kapazitiv mit den gedruckten Leitungen verschiedener Metallschichten in der Nähe gekoppelt werden und elektromagnetische Störungen ausstrahlen. Allerdings, Gedruckte Leitungen müssen in der Regel auch Wärme für Leistungsschalter und Gleichrichter ableiten, speziell für Aufputznetzteile. Aus elektrischer Sicht, Die gedruckte Linie sollte so klein wie möglich sein, aber aus Sicht der Wärmeableitung, es sollte größer sein. Bei der Gestaltung der Aufputzmontage, es gibt eine gute Kompromissmethode, die Spitze machen Leiterplatte das gleiche wie der Boden Leiterplatte, and connecting them together through many holes (or vias).
Eine gute Möglichkeit, die Wärmeableitungskapazität des Leiterplatte und reduzieren die kapazitive Kopplung anderer gedruckter Linien.
Diese Technologie reduziert die kapazitive Kopplung an andere gedruckte Linien erheblich, aber es verdoppelt die Wärmeableitung und Oberfläche. Take a SO8 packaged N-channel power MOSFET (such as FDS6670A) as an example. Es gibt nur eine 325 mm â Ä ² 2 â Ä ² Kupferfläche auf der oberen Schicht, and the thermal resistance in contact with air is 50 (C/W, plus another on the bottom layer of the PCB). Eine gleiche Platine verbunden durch 8-Durchgänge, the thermal resistance is reduced to 39 (C/W, weil es keine Metalldrähte gibt, die unterschiedliche Signale auf der anderen Seite der Platine transportieren, Die Kapazität des Kondensators sinkt um mehr als eine Größenordnung.
In Durchgangsbohrungen, Andere Signale und Erdungen müssen von Hochspannungs-AC-gedruckten Leitungen und Teilen, die zur Wärmeableitung verwendet werden, ferngehalten werden. In einem Offline-Konverter, Der Erdungskabel kann Energie von diesem Knoten koppeln und durch den Netzstecker aus dem Produkt führen, die übermäßige leitungsgeleitete elektromagnetische Störungen erzeugt.
Parallel filter capacitor
Capacitors are often used in parallel to reduce the parallel equivalent series resistance (ESR) of the filter capacitor. Dieser Ansatz ermöglicht es jedem Kondensator auch, einen Teil des Ripple-Stroms umzulenken, so dass jeder Kondensator normal innerhalb seiner Ripple-Stromspezifikation arbeiten kann.. Nur wenn die gedruckte Leitungsimedanz zwischen den Kondensatoren und jeder Wellenstromquelle gleich ist, der Wellenstrom wird "gemittelt", Dies erfordert, dass die gedruckten Leitungen zwischen den Kondensatoren zwischen dem Gleichrichter oder dem Leistungsschalterrohr von gleicher Länge und Breite sein müssen .
Die korrekte Platzierung von Parallelkondensatoren ist einer der Schlüssel zum Design von Schaltnetzteilen.
Es ist sehr schön, Kondensatoren in Säulen zu platzieren und sie in der Folge anzuschließen. Allerdings, Dieses Layout bewirkt, dass der Kondensator, der dem Netzschalter oder Gleichrichter am nächsten ist, mehr Wellenstrom als andere Kondensatoren trägt, dadurch verkürzt sich die Lebensdauer des Kondensators.

Das obige ist eine Einführung in die PCB-Design von eingebetteten Schaltnetzteilen. Ipcb wird auch für Leiterplattenhersteller und Leiterplattenherstellungstechnologie.