Notizie PCB - Alcuni suggerimenti di layout PCB SMPS e problemi di rumore e calore

Che si tratti di conversione AC-DC o DC-DC, i layout di alimentazione switching sono comuni nei progetti ad alta tensione e devono essere costruiti con cura. Anche se il sistema è molto comune, è incline alla radiazione EMI a causa dei rapidi cambiamenti di tensione e corrente durante la commutazione. I progettisti sono raramente in grado di applicare progetti esistenti a nuovi sistemi perché piccole modifiche in un'area possono creare problemi EMI difficili da diagnosticare.

Con la corretta selezione del layout PCB e il cablaggio, il rumore può essere impedito di diventare un problema importante sull'uscita SMPS. I convertitori a bassa tensione possono essere acquistati come ics con diversi fattori di forma, ma i convertitori ad alta tensione dovranno essere fabbricati da componenti discreti su schede dedicate. Ecco alcuni importanti suggerimenti di layout SMPSPCB per aiutarti a mantenere i componenti freschi e prevenire problemi di rumore nel tuo sistema.

Problemi di rumore e calore nel layout PCB SMPS

Non c'è soluzione: qualsiasi SMPS produrrà rumore moderato ad alta frequenza a causa dell'azione di commutazione del driver transistor. In effetti, si sta convertendo ripple a bassa frequenza (cioè generato da un raddrizzatore a onda piena durante la conversione ac-DC) in rumore di commutazione ad alta frequenza. Anche se questa conversione produce un'uscita DC più stabile, ci sono ancora due importanti fonti di rumore:

Rumore di commutazione diretto da elementi di commutazione.

Rumore transitorio altrove nel sistema.

Il rumore apparirà sull'uscita dell'unità SMPS sotto forma di rumore di conduzione e rumore di radiazione. Sebbene la causa di ogni problema sia difficile da diagnosticare, due tipi di rumore possono essere facilmente distinti. Altre sfide progettuali nel layout SMPSPCB sono il calore generato sulla scheda. Anche se questo può essere influenzato dalla scelta della frequenza PWM giusta, del ciclo di lavoro e del tempo di aumento, è comunque necessario utilizzare la giusta strategia di gestione termica sulla scheda. Con queste due sfide in mente, diamo un'occhiata ad alcuni dei dettagli da notare nel LAYOUT di SMPSPCB.

Gestione termica

Idealmente SMPS dissipa energia zero, anche se questo non accade in realtà. Il transistor di commutazione (e il trasformatore di ingresso per la conversione AC-DC) dissipa la maggior parte del calore. Anche quando l'efficienza può raggiungere il 90% in una topologia di alimentazione switching, i MOSFET di potenza possono ancora emettere molto calore durante la commutazione. Una pratica comune qui è quella di posizionare il radiatore sul gruppo interruttore chiave. Assicurarsi di ricollegarli alla formazione del suolo per evitare nuovi EMI.

Negli alimentatori ad alta tensione / alta corrente, questi radiatori possono essere abbastanza grandi. È possibile installare ventilatori nel telaio per migliorare la capacità di dissipazione del calore del sistema. Inoltre, assicurarsi di seguire le buone pratiche per alimentare la ventola per prevenire nuovi problemi EMI.

Alcuni suggerimenti sul layout SMPSPCB

Il tuo stack

Il layout aiuterà in qualche misura con la gestione termica, ma questo è un fattore più importante della sensibilità EMI. In generale, il rumore condotto viene gestito utilizzando filtri EMI sui circuiti di ingresso e uscita. Come molti problemi EMI nei sistemi ad alta velocità/alta frequenza, il vostro stack sarà un fattore determinante della resistenza all'EMI irradiato.

La gamma di frequenza di correlazione dell'operazione SMPS è? 10 KHZ a? 1MHz, quindi l'EMI irradiato sentirà il rumore indotto. Pertanto, si desidera posizionare lo strato di messa a terra direttamente sotto lo strato superficiale con tutti i componenti di potenza. Ciò garantirà una bassa induttanza del ciclo per il circuito superficiale. Qualsiasi segnale di rumore indotto propagato all'uscita viene normalmente eliminato filtrando all'uscita.

Il suono transitorio

I transienti sono un problema più difficile da risolvere perché sono legati alla laminazione, al cablaggio, alla presenza di fori e all'eccessivo disaccoppiamento/impedenza. Come nel caso della progettazione ad alta velocità, non instradare alcun rame che trasporta un segnale di commutazione nello spazio di terra, in quanto questo formerà un certo tipo di struttura di antenna che si irradia fortemente durante i transienti. Questi transienti tendono ad essere ad alta frequenza (ovunque da 10 a 100 MHZ).

Il problema del suono transitorio è un problema di gestione dell'impedenza. L'alta impedenza si traduce in forte ondulazione di tensione. I componenti devono essere posizionati con il modello corretto del cuscinetto per ridurre l'impedenza nel PDN della scheda.