Leiterplattentechnisch - Leiterplattenlayout des Schaltreglerdesigns

Warum ist gut Leiterplattenlayout wichtig?

Jede 2.5cm PCB-Spur hat eine Spureninduktivität von ca. 20nH. Der genaue Induktivitätswert hängt von der Dicke, Breite und Geometrie der Spur ab, aber basierend auf Erfahrung ist es im Allgemeinen möglich, 20nH/2,5cm zu nehmen. Unter der Annahme, dass ein Buck-Regler einen Ausgangsstrom von 5A liefert, sehen Sie den Stromschalter von 0A auf 5A. Wenn der Schaltstrom groß ist und die Schaltübergangszeit kurz ist, kann die folgende Formel verwendet werden, um die winzige Spurinduktivität zu berechnen Wie viel Spannungsoffset erzeugt wird:

Angenommen, die Drahtlänge ist 2.5cm (20nH), ist der Ausgangsstrom 5A (5A Schaltstrom im Buck-Regler), und die Schaltzeit des MOSFET-Leistungsschalters ist 30ns, dann ist der Spannungsversatz 3.33V.

Es ist zu sehen, dass eine Spurinduktivität von nur 2,5cm einen erheblichen Spannungsversatz erzeugen kann. Diese Verschiebung führt oft sogar zum vollständigen Ausfall des Schaltnetzteils. Wenn Sie den Eingangskondensator einige Zentimeter vom Eingangspin des Schaltreglers entfernt platzieren, funktioniert das Schaltnetzteil normalerweise nicht. Wenn das Schaltnetzteil auf einer Leiterplatte mit unsachgemäßem Layout noch funktionieren kann, erzeugt es sehr große elektromagnetische Störungen (EMI).

In der obigen Formel ist der einzige Parameter, der geändert werden kann, die Spurinduktivität. Die Spuren können so kurz wie möglich gemacht werden, um die Spureninduktivität zu reduzieren. Dickere Kupferdrähte helfen auch, die Induktivität zu reduzieren. Da die von der Last benötigte Leistung fest ist, können die aktuellen Parameter nicht geändert werden. Für die Konvertierungszeit kann sie geändert werden, möchte sich aber im Allgemeinen nicht ändern. Die Verlangsamung der Schaltzeit kann den erzeugten Spannungsversatz verringern und dadurch EMI reduzieren, aber der Schaltverlust nimmt zu, und Sie müssen mit einer niedrigeren Schaltfrequenz arbeiten und teure und sperrige Stromgeräte verwenden.

Finden Sie die AC-Stromleitung

Im PCB-Layout des Schaltnetzteils ist das wichtigste Kriterium, die AC-Leiterbahnen in irgendeiner Weise so kurz wie möglich zu machen. Wenn Sie diese Regel sorgfältig befolgen können, kann man sagen, dass ein gutes Leiterplattenlayout 80%. Um diese ACs zu finden, die den Strom in kurzer Zeit von "Vollstrom" auf "Kein Strom" ändern (Umrechnungszeit) Route, zeichnen Sie das Diagramm dreimal. Es ist ein einfaches Step-Down Switch Mode Netzteil. Im Diagramm oben wird der Stromfluss während der Zeit mit einer gestrichelten Linie gezeichnet. Im mittleren Schaltplan wird der Stromfluss während der Ausschaltzeit mit einer gestrichelten Linie gezeichnet. Besonders hervorzuheben ist der Schaltplan unten. Hier werden alle Spuren gezeichnet, wo die aktuellen Änderungen von On-Time zu Off-Time gezeichnet werden.

Mit dieser Methode können Sie problemlos die AC-Stromspuren jeder Schaltnetzteil-Topologie finden.

Wenn Sie das vorhandene Leiterplattenlayout und -routing bewerten, ist es eine gute Möglichkeit, es auf Papier zu drucken und eine transparente Kunststoffplatte zu platzieren und dann verschiedene farbige Stifte zu verwenden, um den Strom während der Öffnungs- und Schließzeit zu zeichnen. Strömungsrichtung und entsprechende Wechselstromverdrahtung. Obwohl wir dazu neigen zu denken, dass diese relativ einfache Aufgabe in unseren Köpfen erledigt werden kann, machen wir oft einige kleine Fehler im Denkprozess. Daher wird dringend empfohlen, Linien auf Papier zu zeichnen.

Realisieren Sie gutes PCB-Layout und Routing

Die AC-Verkabelung des Buck-Reglers. Es ist zu beachten, dass einige Bodenspuren auch AC-Leiterbahnen sind und auch so kurz wie möglich gehalten werden müssen. Darüber hinaus wird für diese Wechselstrompfade empfohlen, keine Vias zu verwenden, da die Induktivität der Vias auch ziemlich hoch ist. Es gibt sehr wenige Ausnahmen von dieser Regel. Wenn der Wechselstrompfad keine Durchkontaktierungen verwendet, verursacht er tatsächlich eine größere Spurinduktivität als das Durchkontakt selbst, daher wird empfohlen, Durchkontaktierungen zu verwenden. Mehrere Vias parallel sind besser, als nur ein einziges Vias zu verwenden.

Das Layout-Beispiel der Leiterplatte mit dem ADP2300 Step-Down Regler. Überprüfen Sie, ob die AC-Verkabelung in der Abbildung nach dem absolut kürzesten Weg angeordnet ist.

Anschluss A ist in kürzester Weise ausgelegt, da der hochseitige Anschluss von C2 mit kürzester Spur an den SchaltMOSFET (Pin 5 von ADP2300, nämlich Vin-Pin) angeschlossen werden kann.

Anschluss B ist die Leiterbahn zwischen Pin 6 (SW-Pin) und der Kathodenseite der Diode D1. Wir sehen auch, dass die Leiterbahn so kurz wie möglich ist, um die Leiterbahninduktivität zu reduzieren.

Verbindung C ist die Spur zwischen der Anode der Diode D1 und der Masseverbindung von C2. Die PCB-Pads Diese beiden Geräte liegen nebeneinander und weisen die niedrigste Spurinduktivität auf. Darüber hinaus, Es hilft auch, dass der Wechselstrom nicht durch eine ruhige Bodenebene fließt. Die Masseebene sollte nur als Referenzspannung verwendet werden, and preferably no current (especially no AC current) flows through the ground plane. Die Durchkontaktierungen neben C2 verbinden den Erdungsbereich auf der obersten Schicht der Leiterplatte mit dem Boden auf der unteren Schicht, aber kein Wechselstrom fließt durch diese Durchgänge.

Besondere Erwägungen zur Induktivität

In Bezug auf EMI muss auch die Induktivität berücksichtigt werden. Das eigentliche Gerät ist nicht so symmetrisch, wie viele denken. Der Induktor hat einen magnetischen Kern und der magnetische Kern umgibt den Draht. Die Wicklung hat immer ein Start- und ein Ende. Das Startende ist mit der inneren Wicklung der Spule verbunden, und das Endende ist mit der äußeren Wicklung der Spule verbunden. Der Anfang der Wicklung ist in der Regel mit einem Punkt auf dem Gerät markiert. Es ist sehr wichtig, das Startende mit dem lauten Schaltknoten und das Endende mit einer ruhigen Spannung zu verbinden. Bei einem Buck-Regler ist die leise Spannung die Ausgangsspannung. Auf diese Weise kann die feste Spannung auf der äußeren Wicklung die Wechselstrom-Schaltknotenspannung auf der inneren Wicklung elektrisch abschirmen, so dass die EMI der Stromversorgung niedriger ist.

Übrigens ist der sogenannte geschirmte Induktor gleich. Die Außenseite des geschirmten Induktors mit einer bestimmten magnetischen Permeabilität verwendet ein bestimmtes Abschirmmaterial, das die meisten magnetischen Kraftlinien auf der Gehäuseseite festzieht. Dieses Material kann jedoch nur das Magnetfeld unterdrücken, nicht das elektrische Feld. Die Wechselspannung auf der äußeren Wicklung ist hauptsächlich ein Problem, das durch elektrische oder kapazitive Kopplung verursacht wird, und das Abschirmmaterial der Abschirminduktivität hemmt eine solche Kopplung nicht. Daher sollte der Abschirminduktor auch auf der Leiterplatte platziert werden, um den lauten Schaltknoten mit dem Beginn der Wicklung zu verbinden, um EMI zu minimieren.

Die Basis eines guten Leiterplattenlayouts für eine Schaltnetzversorgung

Ingenieurskurse lehren im Allgemeinen nicht, wie man ein gutes Leiterplattenlayout erreicht. Hochfrequenz-HF-Kurse werden die Bedeutung der Spurenompedanz studieren, Ingenieure, die ihre eigene Systemstromversorgung bauen müssen, betrachten die Stromversorgung in der Regel nicht als Hochfrequenzsystem, and ignore the importance of circuit board layout und Routing. Die meisten Probleme, die durch unsachgemäße Leiterplattenlayout und Verkabelung verursacht werden, können auf unkontrollierte AC-Stromleitungen zurückgeführt werden, die so kurz und kompakt wie möglich sind. Wenn Sie die Gründe hinter den in diesem Artikel beschriebenen Leiterplattenlayout-Richtlinien verstehen und diese strikt befolgen, minimieren Sie jegliche PCB-DesignProbleme mit Schaltnetzteilen.