Blogue PCB - Points essentiels de la mise en page de la carte PCB de puissance de commutation

La disposition de la carte PCB d'alimentation à découpage est un processus important dans le développement de produits d'alimentation. Dans de nombreux cas, une alimentation parfaitement conçue sur papier peut ne pas fonctionner correctement lors de la mise en service initiale en raison de nombreux problèmes de mise en page du PCB d'alimentation. Les points de base de la mise en page de PCB à alimentation à découpage sont discutés en détail et quelques exemples pratiques de mise en page de PCB sont donnés. Pour s'adapter au rythme de changement rapide de l'électronique, les ingénieurs en conception de produits préfèrent opter pour des adaptateurs CC faciles à acheter sur le marché et installer plusieurs ensembles d'alimentations CC directement sur la carte du système. Étant donné que les interférences électromagnétiques générées par les alimentations à découpage peuvent affecter le bon fonctionnement de leur électronique, il devient important de disposer correctement les PCB de puissance. La disposition du circuit imprimé à découpage est complètement différente de celle du circuit imprimé numérique. Dans la disposition de circuit numérique, de nombreuses puces numériques peuvent être arrangées automatiquement par le logiciel de carte PCB et les fils de connexion entre les puces peuvent être connectés automatiquement par le logiciel de carte PCB. L'alimentation à découpage libérée par la typographie automatique ne fonctionnera certainement pas correctement. Par conséquent, les planificateurs ont besoin d'avoir une certaine compréhension des règles de base de la mise en page de PCB d'alimentation à découpage et du principe de fonctionnement de l'alimentation à découpage.

1.switch Power PCB board Layout points clés

1.1 caractéristiques de filtrage haute fréquence du condensateur

Les condensateurs électrolytiques ont généralement une grande capacité et une grande Inductance série équivalente. En raison de sa faible fréquence de résonance, il ne peut être utilisé que pour le filtrage basse fréquence. Les condensateurs au tantale ont généralement une plus grande capacité et une Inductance série équivalente plus petite, de sorte que leur fréquence de résonance est supérieure à celle des condensateurs électrolytiques et peuvent être utilisés pour le filtrage à moyenne et haute fréquence. La capacité et l'Inductance série équivalente d'un condensateur en céramique sont généralement faibles, de sorte que sa fréquence de résonance est beaucoup plus élevée que celle d'un condensateur électrolytique et d'un condensateur au tantale et peut donc être utilisée dans des circuits de filtrage et de dérivation haute fréquence. Comme la fréquence de résonance d'un condensateur céramique de petite capacité est supérieure à celle d'un condensateur céramique de grande capacité, il n'est pas possible de choisir un condensateur céramique de capacité trop élevée lors du choix d'un condensateur de dérivation. Pour améliorer les caractéristiques haute fréquence des condensateurs, plusieurs condensateurs de caractéristiques différentes peuvent être utilisés en parallèle. La figure 3 montre l'effet de l'amélioration de l'impédance après mise en parallèle de plusieurs condensateurs de caractéristiques différentes. Points clés de la disposition de l'alimentation 1 la capacité du condensateur céramique de dérivation ne doit pas être trop grande, son Inductance série parasite doit être aussi faible que possible. Plusieurs condensateurs en parallèle permettent d'améliorer les caractéristiques d'impédance haute fréquence des condensateurs.

1.2 caractéristiques de filtrage haute fréquence de l'inducteur

Dans une alimentation à découpage, le CP de l'inducteur doit être contrôlé aussi petit que possible. Dans le même temps, il faut noter que les inductances d'une même inductance auront des valeurs CP différentes en raison de structures de bobines différentes et que les inductances d'une même inductance sous deux structures de bobines différentes auront des valeurs CP différentes. Les 5 spires de l'inducteur sont enroulées dans l'ordre. La valeur CP de cette structure de bobine est de 1 / 5 de la capacité parallèle équivalente (c) de la bobine de Spire. Les enroulements de 5 spires de l'inducteur sont enroulés dans un ordre croisé. Dans le cas où les enroulements 4 et 5 sont placés entre les enroulements 1, 2 et 3 et où les enroulements 1 et 5 sont très proches, le CP produit par cette structure de bobine est le double de la valeur de C pour une bobine de 1 Spire. On voit que les valeurs CP de deux inductances de même inductance sont en fait plusieurs fois différentes. Dans le filtrage haute fréquence, si la valeur CP de l'inductance est trop importante, le bruit haute fréquence est facilement couplé directement à la charge par CP. Une telle inductance perd également sa fonction de filtrage haute fréquence. Sur une carte PCB, vin est câblé à la charge (RL) de différentes manières via L. Pour réduire le CP de l'inductance, les deux broches de l'inductance doivent être aussi éloignées que possible. Les traces du pôle positif de vin vers RL et du pôle négatif de vin vers RL doivent être aussi proches que possible, la capacité parallèle parasite de l'inductance doit être aussi faible que possible et la distance entre les Plots des broches de l'inductance doit être d'autant meilleure.

1.3 miroir

Le concept de miroir dans la théorie électromagnétique aidera les concepteurs à maîtriser la disposition de PCB pour les alimentations à découpage. Scène pendant qu'un courant continu traverse le plan de masse. Le courant continu de retour sur la formation est maintenant réparti très uniformément sur toute la formation. Scénario lorsqu'un courant à haute fréquence traverse la même formation. À ce stade, le courant alternatif de retour sur le sol ne peut circuler qu'au milieu du sol et il n'y a pas de courant des deux côtés du sol. Les concepteurs de plan de masse devraient essayer d'éviter de placer des traces d'alimentation ou de signal sur le plan de masse. Une fois que le câblage sur la couche de mise à la terre détruit toute la boucle haute fréquence, le circuit produit un rayonnement d'ondes électromagnétiques intenses qui perturbe le bon fonctionnement de l'électronique environnante. Évitez de placer des traces d'alimentation ou de signal sur le plan de masse.

1.4 boucle haute fréquence

Il existe de nombreuses boucles haute fréquence composées de dispositifs de puissance dans les alimentations à découpage. Si la boucle de câ³ n'est pas traitée correctement, cela aura un impact important sur le bon fonctionnement de l'alimentation. Pour réduire le bruit d'onde électromagnétique généré par la boucle haute fréquence, la zone de la boucle doit être contrôlée de manière réduite. La boucle de courant à haute fréquence a une grande surface et produira de fortes perturbations électromagnétiques à l'intérieur et à l'extérieur de la boucle. Pour un même courant à haute fréquence, lorsque la zone de boucle est conçue pour être petite, les champs électromagnétiques internes et externes de la boucle s'annulent et l'ensemble du circuit devient très silencieux. L'aire de la boucle haute fréquence doit être réduite autant que possible.

1.5 placement des trous et des coussinets

De nombreux designers préfèrent placer de nombreux pores sous une carte PCB multicouche. Cependant, il est nécessaire d'éviter de placer trop de voies sur le chemin de retour du courant haute fréquence. Sinon, les traces de courant à haute fréquence sur le sol seront endommagées. Si vous devez placer des trous sur le chemin du courant haute fréquence, vous pouvez laisser un espace entre les trous pour que le courant haute fréquence passe en douceur. La mise en place des Vias ne doit pas perturber la circulation du courant haute fréquence sur le plan de masse, et le concepteur doit également être conscient que différentes formes de Plots créeront différentes inductances série. Le placement du condensateur de dérivation tient également compte de sa valeur d'Inductance série. Le condensateur de dérivation doit être un condensateur en céramique avec une faible impédance et une faible ESL. Mais si un condensateur en céramique de haute qualité est placé sur le PCB de la mauvaise manière, sa fonction de filtrage haute fréquence disparaîtra.

1.6 puissance DC sortie

De nombreuses Alimentations à découpage ont une charge sur un port de sortie éloigné de l'alimentation. Afin d'éviter que l'alimentation elle - même ou l'électronique environnante ne provoque des perturbations électromagnétiques vers le bas du câblage de sortie, le câblage d'alimentation de sortie doit être très proche pour minimiser la surface de la boucle de courant de sortie.

1.7 séparation des couches de mise à la terre sur la plaque du système

La carte système de la nouvelle génération de produits électroniques aura à la fois un circuit analogique, un circuit numérique et un circuit d'alimentation à découpage. Pour réduire l'impact du bruit d'alimentation à découpage sur les circuits analogiques et numériques sensibles, il est souvent nécessaire de séparer les plans de masse des différents circuits. Si vous utilisez un PCB multicouche, les couches de terre de différents circuits peuvent être séparées par différentes couches de PCB. S'il n'y a qu'une seule couche de mise à la terre pour l'ensemble du produit, qu'il s'agisse d'une séparation de couche de mise à la terre sur une carte PCB multicouche ou d'une séparation de couche de mise à la terre sur une carte PCB monocouche, les couches de mise à la terre des différents circuits devraient être connectées à la couche de mise à la terre de l'alimentation à découpage par un seul point. Sept circuits différents sur la carte système nécessitent une mise à la terre différente, et la mise à la terre des différentes cartes PCB est connectée à la mise à la terre de l'alimentation en un seul point.

2. Exemple de mise en page de PCB d'alimentation à découpage

Le concepteur doit pouvoir distinguer sur ce schéma électrique les composants du circuit d'alimentation et les composants du circuit de signalisation de commande. Le problème est assez grave si le concepteur considère tous les composants de l'alimentation comme des composants d'un circuit numérique. D'une manière générale, il est d'abord nécessaire de connaître le trajet du courant haute fréquence de l'alimentation et de distinguer les circuits de commande à petit signal des composants du circuit d'alimentation et leurs traces. D'une manière générale, le circuit d'alimentation de l'alimentation comprend principalement un condensateur de filtrage d'entrée, un condensateur de filtrage de sortie et une inductance de filtrage, ainsi qu'une puissance supérieure et inférieure FET. Le circuit de commande comprend principalement une puce de commande PWM, un condensateur de dérivation, un circuit d'auto - amorçage, une résistance de division de tension de rétroaction et un circuit de compensation de rétroaction.

2.1 Mise en page PCB du circuit d'alimentation

Le placement correct et le câblage des composants d'alimentation sur le PCB détermineront si toute l'alimentation fonctionne correctement. Le concepteur doit d'abord avoir une certaine connaissance des formes d'onde de tension et de courant sur les dispositifs de puissance commutés. Formes d'onde de courant et de tension des composants du circuit d'alimentation à découpage abaisseur. Comme les courants provenant du condensateur de filtrage d'entrée (CIN), de l'extrémité supérieure FET (S1) et de l'extrémité F FET (s2) sont des courants alternatifs à haute fréquence et crêtes élevées, la surface de boucle cin - S1 - s2 formée doit être minimisée. Dans le même temps, l'aire de boucle formée par s2, l et le condensateur de filtrage de sortie (cout) doit également être minimisée. Si le concepteur n'a pas réalisé le circuit d'alimentation PCB selon les points décrits dans ce livre, il est probable qu'il ait réalisé le circuit d'alimentation PCB représenté dans le réseau 19. Il y a beaucoup d'erreurs dans la disposition du PCB: Comme l'ESL de cin est grande, la capacité de filtrage fréquentiel à haute valeur de cin disparaît sensiblement; D'autre part, la surface des boucles cin - S1 - s2 et S1 lcout est trop importante, le bruit électromagnétique généré pouvant perturber fortement l'alimentation elle - même et les circuits périphériques; Troisièmement, si le Plot l est trop proche, CP sera trop grand et sa fonction de filtrage haute fréquence sera diminuée; Quatrièmement, les broches des plots cout sont trop longues, ce qui entraîne un FSL trop grand et la perte de la ligne de filtrage haute fréquence. Les zones des boucles cin - S1 - s2 et S2 - L - cout ont été contrôlées. Le point de connexion entre la source de S1, le drain de s2 et l est un plot de cuivre monolithique. La tension à cette jonction étant haute fréquence, S1, s2 et l doivent être très proches. Bien qu'il n'y ait pas de courant haute fréquence de crête sur la trace entre l et cout, une trace plus large peut réduire la perte d'impédance DC et améliorer l'efficacité de l'alimentation. Si le coût le permet, l'alimentation peut être utilisée sur un PCB double face avec un plan de masse d'un côté, mais il faut prendre soin d'éviter les lignes d'alimentation et de signal sur le plan de masse. Des condensateurs en céramique ont été ajoutés aux ports d'entrée et de sortie de l'alimentation pour améliorer les performances de filtrage haute fréquence de l'alimentation.

2.2 disposition de PCB pour le circuit de contrôle de puissance

La disposition de la carte PCB du circuit de contrôle d'alimentation est également très importante. Une disposition déraisonnable peut entraîner des dérives et des oscillations de la tension de sortie de l'alimentation. Le circuit de commande doit être placé d'un côté du circuit d'alimentation et non au milieu de la boucle AC haute fréquence. Le condensateur de dérivation doit être placé aussi près que possible du VCC et de la broche de masse (GNd) de la puce. Une résistance de division de tension de rétroaction est également placée près de la puce. La boucle allant de la puce au FET doit également être aussi courte que possible et la boucle du circuit de commande allant de la puce de commande au FET supérieur et inférieur doit être aussi courte que possible.

2.3 exemple de mise en page de PCB à alimentation commutée 1

Un contrôleur PWM peu coûteux (modèle sciio4a de semtech) est utilisé dans cette alimentation. La couche inférieure de la carte PCB est un plan de masse complet. Il n'y a pas de séparation entre le plan d'alimentation et le plan de commande sur ce PCB. On voit que le circuit d'alimentation de l'alimentation est alimenté par la prise d'entrée (extrémité supérieure gauche de la carte PCB) à travers les condensateurs de filtrage d'entrée (C1, C2,...), S1, s2, L1 et les condensateurs de filtrage de sortie (C10, C11, C12, C13) jusqu'à la prise de sortie (extrémité inférieure droite de la carte PCB). Le sc1104a est placé à l'extrémité inférieure gauche de la carte PCB. Comme le courant du circuit d'alimentation ne traverse pas le circuit de commande sur le plan de masse, il n'est pas nécessaire de séparer le plan de masse du circuit de commande de la surface de masse du circuit d'alimentation. Si la prise d'entrée est placée à l'extrémité inférieure gauche de la carte PCB, le courant du circuit d'alimentation passera directement par le circuit de commande sur le plan de masse et les deux doivent être séparés.

2.4 exemple de mise en page de PCB à alimentation commutée 2

Une autre alimentation à découpage abaisseur qui convertit une tension d'entrée de 12V en une tension de sortie de 3,3v avec un courant de sortie allant jusqu'à 3a. Cette alimentation utilise un contrôleur d'alimentation intégré (semtech modèle sc4519). Un tel Contrôleur intègre un tube de puissance dans une puce de contrôleur de puissance. Cette alimentation est très simple et convient particulièrement aux appareils électroniques grand public tels que les lecteurs DVD portables, les ADSL et les décodeurs. Comme dans les exemples précédents, pour cette alimentation à découpage simple, il convient également de noter les points suivants dans la disposition du PCB.

1) la zone de boucle entourée par le condensateur de filtrage d'entrée (C3), la broche de masse (GNd) de sc4519 et D2 doit être petite. Cela signifie que C3 et D2 doivent être très proches de sc4519.

2) le plan de masse du circuit d'alimentation séparé et la surface de masse du circuit de commande peuvent être utilisés. Les composants connectés à la terre d'alimentation comprennent une prise d'entrée (vin), une prise de sortie (vout), un condensateur de filtrage d'entrée (C3) et un condensateur de filtrage de sortie C2, D2, sc4519. Les composants connectés à la masse de commande comprennent des résistances diviseurs de tension de sortie (R1, R2), des circuits de compensation de contre - réaction (R3, C4, C3), des prises de validation (en) et des prises de synchronisation (sync).

3) ajoutez un trou près de la broche de mise à la terre du sc4519 pour connecter la couche de mise à la terre du circuit d'alimentation à un point unique de la couche de mise à la terre du circuit de signal de commande. Schéma de disposition de la couche supérieure de la carte PCB d'alimentation. Pour faciliter la compréhension du lecteur, le plan de masse de l'alimentation et le plan de masse du signal de commande sont représentés par des couleurs différentes. Ici, la prise d'entrée est en haut du PCB et la prise de sortie est en bas du PCB. Une inductance de filtrage (L1) est placée à gauche de la carte PCB et à proximité du plan de masse de l'alimentation, tandis qu'un circuit de compensation de contre - réaction (R3, C4, C5), plus sensible au bruit, est placé à droite de la carte et à proximité du plan de masse du signal de commande. D2 est très proche des broches 3 et 4 du sc4519. Schéma de disposition de la couche inférieure de la carte PCB de puissance.