Leiterplattentechnisch - PCB-Design für Buck-, Boost- und SEPIC-Wandler

Die richtige Leiterplattenlayout ist einer der wichtigsten Faktoren für ein erfolgreiches Netzteildesign. Der nicht isolierte Stromabschnitt ist der Grundbaustein des Stromsystems. Das Verständnis der Richtung des Stromflusses und der Konstruktion der Hochfrequenzschleife ist wohl der wichtigste Schritt im PCB-Design.

In diesem Artikel werden Stromversorgungstechniken für den Stromversorgungsabschnitt Buck, Boost und Single-End Primärinduktivitätsumwandler (SEPIC) diskutiert.

Step-down-Konverter

Zunächst verwenden wir einen Buck-Wandler, dessen Ausgangsspannung niedriger ist als die Eingangsspannung. Abbildung 1 zeigt den Schaltplan und das PCB-Layout dieses Buck-Konverters.

Dieser vereinfachte Schaltplan umfasst Eingangs- und Ausgangskondensatoren, Induktivitäten, Schalttransistoren und Sperrdioden

Während der Einschaltphase des Pulsweitenmodulators (PWM) fließt Strom entlang des durch den grünen Pfeil angezeigten Pfades vom Eingangskondensator zum Induktor durch den Schalttransistor. Während der PWM-Abschaltperiode fließt der Strom weiter durch die Induktivität entlang des Pfades des rosa Pfeils. Das bedeutet, dass der Ausgang einen kontinuierlich fließenden Strom hat.

Der Eingangshochfrequenzstrom wird einmal in jedem Zyklus ein- und ausgeschaltet. Der wichtigste Teil in diesem Leistungsabschnitt Layout ist die Reduzierung von Hochfrequenzschleifen. Der blaue Pfeil im oberen Teil reflektiert diese Schleife. Während der Leitung des Transistors, Der Strom fließt kurz durch die Diode D1 zur Erde. Während dieser Zeit, wenn die Eingangskondensatoren nicht sehr nah beieinander liegen, dann kann dieser große Stromstoß einige Konstruktionsprobleme verursachen.

Stellen Sie sicher, dass die Stromleitung oder die Energieebene genügend Breite hat, um den Stromstrom zu tragen. Im Allgemeinen, Die Leistungsebene sollte bis auf den Schaltknoten so groß wie möglich sein. Es gibt eine große dV/dt Signal auf dem Schaltknoten, die mit anderen Teilen des Leiterplattenlayout. Daher, Die Reduzierung der Oberfläche kann zu einem guten Design führen. Verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen, um Leistungsebenen auf verschiedenen Ebenen zu verbinden. The simple rule of thumb is that each via (10mil drilling) should not exceed 1A. Wenn Sie eine kontinuierliche Bodenebene so groß wie eine Leiterplatte, Es wird helfen, Rauschen und Hochfrequenzschleifen zu reduzieren.

Boost-Konverter

Der Boost-Wandler wird verwendet, um aus einer niedrigeren Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen. Sie können den gleichen Prozess in einem Boost-Konverter wie in einem Buck-Konverter verwenden, um kritische Pfade und Schleifen zu identifizieren.

Während der PWM-Einschaltperiode fließt Strom vom Eingangsanschluss zum Schalttransistor (dargestellt durch den grünen Pfeil) durch den Induktor. Während dieser Zeit sammelt sich Energie in der Induktivität und überträgt sich dann auf den Ausgang, wenn die PWM ausgeschaltet ist. Nun fließt der Strom entlang des rosa Pfeils, von Eingang zu Ausgang. Das bedeutet, dass der Strom auf der Eingangsseite kontinuierlich ist. Der Strom am Ausgang ist ein hochfrequenter Schaltstrom. Um hochfrequentes Rauschen zu minimieren, muss die blau abgebildete Schleife so kurz wie möglich sein.

Während der Leitungsperiode des Transistors fließt der Strom nur kurz vom Ausgang zur Masse durch die Diode. Wenn dieser Strom vom Ausgangskondensator nicht richtig umgeleitet wird, kann es zu Problemen im Netzteildesign kommen. Die allgemeinen Layouttechniken für Buck-Konverter können auch auf diesen Boost-Konverter angewendet werden. Minimieren Sie den Schaltknotenbereich und verwenden Sie mehrere Durchgänge, um sich mit der Erdungsebene zu verbinden.

SEPIC Konverter

Wenn die Eingangsspannung höher oder niedriger als die Ausgangsspannung ist, kann der SEPIC-Wandler verwendet werden. Diese Art von Leistungswandler kann die Rolle des Boosts spielen, wenn die Eingangsspannung niedriger als der Ausgang ist, und kann die Rolle des Step-Down spielen, wenn die Eingangsspannung höher als der Ausgang ist. Dieser Schaltkreis verwendet zwei Induktivitäten oder eine einzelne Kupplungsinduktivität.

Da es zwei Induktoren gibt, gibt es für jeden Teil des Schaltzyklus zwei Stromwege. Während der PWM-Einschaltperiode fließt Strom entlang des grünen Pfeils und sammelt Energie im Induktor. Wenn das PWM ausgeschaltet ist, wird Energie über den rosa Strompfad an den Ausgang übertragen. Bei diesem SEPIC-Design ist der Eingangsstrom kontinuierlich. Das Ausgangsende weist hochfrequente Schaltströme auf, so dass die Schleife minimiert werden muss. Für den Anschluss an die Erdungsebene wird empfohlen, ein Durchgang in der Nähe des Ausgangskondensators zu verwenden. Die Masseebene kann einen niederohmigen Pfad zwischen allen Leiterplattenkomponenten bereitstellen und dadurch Rauschen reduzieren.

Schlussbemerkungen

Power Layout Design ist eine sehr knifflige Aufgabe. The first step is to determine how die current flows in the power supply, und dann Hochfrequenzschleifen finden und minimieren. Nächster, Verwenden Sie die Masseebene und die Leistungsebene, um die Leiterplattenkomponenten in sehr niederohmiger Weise. Stellen Sie sicher, dass die verwendete Ebene genügend Breite hat, um den entworfenen Strom zu tragen. Der Hochfrequenzschaltknoten sollte so klein wie möglich sein, um die Wahrscheinlichkeit einer Rauschkopplung mit anderen Signalen zu verringern. Verwenden von vielen Vias, um große, Durchgängige Masseebenen verschiedener Geräte können auch ein gutes Design sein.