Dati PCB - Crea rapidamente il design della scheda PCB per la commutazione degli alimentatori

I regolatori di commutazione e gli alimentatori di oggi stanno diventando più compatti e potenti, e frequenze di commutazione sempre più elevate sono uno dei principali problemi che i progettisti devono affrontare, fabbricazione Scheda PCB progettazione sempre più difficile. Infatti, Il layout del PCB è diventato uno spartiacque nella distinzione tra buoni e cattivi progetti di alimentazione di commutazione. Questo articolo fornisce alcuni suggerimenti su come creare un layout PCB.

Considera un regolatore di commutazione 3A che scende da 24V a 3.3V. Progettare un regolatore 10W potrebbe non sembrare troppo difficile all'inizio, e i progettisti potrebbero presto essere in grado di passare alla fase di implementazione. Tuttavia, vediamo quali problemi si incontrano effettivamente dopo l'adozione di software di progettazione come Webench. Se inseriamo i requisiti di cui sopra, Webench seleziona LM25576 (un dispositivo di ingresso 42V incluso un FET 3A) nella famiglia "Simpler Switcher" da diversi IC. Il chip è alloggiato in un pacchetto TSSOP-20 con pad termico. Le ottimizzazioni di design per volume o efficienza sono incluse nel menu Webench. Il design richiede una grande quantità di induttori e condensatori, che richiede un ampio spazio sulla scheda PCB. Webench fornisce opzioni come mostrato nella Tabella 1.

Vale la pena notare che l'efficienza è 84%, e questa efficienza è raggiunta quando la differenza di pressione input-output è molto bassa. In questo esempio, l'input/rapporto di uscita maggiore di 7. In generale, un circuito a due stadi può essere utilizzato per ridurre il rapporto stadio-stadio, ma l'efficienza raggiunta con due regolatori non sarà migliore. Avanti, scegliamo la frequenza di commutazione del Scheda PCB area. Alte frequenze di commutazione possono creare problemi di layout. Webench può generare diagrammi di circuito con tutti i componenti attivi e passivi. Dai un'occhiata ai percorsi attuali: segna il loop del FET nello stato on in rosso; contrassegnare il ciclo del FET allo stato spento in verde. Possiamo osservare due casi diversi: regioni con due colori e regioni con un solo colore. Dobbiamo prestare particolare attenzione a quest'ultimo caso, quindi la corrente alterna tra zero e scala completa. Si tratta di regioni con elevati livelli di/dt. L'alto di/dt corrente alternata genererà un campo magnetico significativo intorno al Scheda PCB fili, che diventerà la principale fonte di interferenza per altri dispositivi nel circuito e anche altri circuiti sullo stesso o adiacente Scheda PCB. Supponendo che questa non sia una corrente alternata, il percorso corrente comune non è troppo importante e la/l'effetto dt è molto più piccolo. D'altra parte, queste aree porteranno un carico maggiore nel tempo. In questo esempio, i percorsi comuni sono dal catodo del diodo all'uscita e dalla terra di uscita all'anodo del diodo. Come il condensatore di uscita carica e scarica, Questo condensatore produce un elevato di/dt. Tutti i segmenti che collegano i condensatori di uscita devono soddisfare due condizioni: devono essere larghi a causa dell'elevato flusso di corrente, e devono essere il più breve possibile per ridurre al minimo la/dt effetto.

Punti chiave della progettazione del layout PCB

Infatti, I progettisti non dovrebbero implementare i cosiddetti layout tradizionali instradando cavi da Vout e terra ai condensatori. Questi fili porteranno grandi correnti alternate, Quindi collegare l'uscita e la massa direttamente ai terminali del condensatore è un approccio migliore. Tali correnti alternate appaiono solo sui condensatori. Gli altri cavi che collegano i condensatori ora trasportano corrente quasi costante, quindi eventuali problemi con di/dt sono ben risolti. La Terra è un altro enigma spesso frainteso. Basta posizionare un piano di terra su "Layer 2" e collegare tutti i terreni a questo strato non funzionerà molto bene. Vediamo perché. Il nostro esempio di progettazione ha fino a 3A di corrente che deve fluire da terra fino alla sorgente (una batteria auto 24V o un alimentatore 24V). Il collegamento a terra del diodo, COT, CIN, e il carico avrà un flusso di corrente più grande, mentre il collegamento a terra del regolatore di commutazione avrà un piccolo flusso di corrente. Lo stesso vale per il riferimento al suolo del divisore di resistenza. Se tutti i perni di terra sopra sono collegati a un piano di terra, si verificherà rimbalzo al suolo. Anche se piccolo, sensitive points in the circuit (such as the resistive divider through which the feedback voltage is obtained) will not have a stable ground reference. In questo modo, l'intera precisione di regolazione della tensione sarà notevolmente influenzata. Infatti, Anche le sorgenti nascoste nel piano di terra di secondo livello producono "squillo" e sono molto difficili da individuare. Inoltre, I collegamenti ad alta corrente devono utilizzare vias ai piani di terra, che sono un'altra fonte di interferenza e rumore. Una soluzione migliore è quella di collegare il terreno CIN come nodo stellare per tutti i conduttori di terra ad alta corrente sui lati di ingresso e uscita del circuito. Questo nodo stellare collega il piano di terra e due piccole connessioni di corrente a terra (IC e divisore di tensione). Ora il piano di terra sarà pulito: nessuna corrente alta, nessun rimbalzo di terra. Tutti i terreni ad alta corrente sono collegati a stelle al terreno CIN. Tutto ciò che il progettista deve fare è mantenere i fili di terra (tutti sullo strato superiore del PCB) il più corti e spessi possibile. I nodi che devono essere controllati sono quei nodi ad alta impedenza in quanto sono facilmente disturbati. Il nodo critico è il pin di feedback del IC, il cui segnale è preso dal divisore della resistenza. Il pin FB è l'ingresso di un amplificatore (come l'LM25576) o di un comparatore (come un regolatore di isteresi). L'impedenza al punto FB è abbastanza alta in entrambi i casi. Pertanto, il divisore della resistenza deve essere posizionato a destra del perno FB, con un filo corto dal centro del divisore di resistenza a FB. I cavi dall'uscita al divisore resistivo sono a bassa impedenza e i cavi più lunghi possono essere utilizzati per collegarsi al divisore resistivo. Ciò che conta qui è il metodo di cablaggio e non la lunghezza del cavo. Altri nodi non sono così critici. Quindi non preoccuparti di cambiare nodi, diodi, COT, il perno VIN del regolatore di commutazione IC, o CIN.

Metodo di cablaggio

Il metodo di cablaggio farà la differenza al divisore della resistenza. Questo filo va da COUT al divisore della resistenza, e il suo terreno torna al COUT. Dobbiamo assicurarci che il loop non formi un'area aperta. L'area aperta funge da antenna ricevente. Se siamo in grado di garantire che il piano di terra sotto il filo è privo di interferenze, poi anche l'area racchiusa dal filo e dalla terra sotto il filo e una distanza tra gli strati 1 e 2 dovrebbe essere priva di interferenze. Ora è chiaro perché il terreno non dovrebbe essere sullo strato 4, poiché la distanza è aumentata significativamente. Un altro modo è quello di instradare il collegamento a terra del divisore di resistenza sullo strato 1, e avere i due fili in parallelo e il più vicino possibile per rendere l'area più piccola. Questi punti si applicano a tutti i cavi che il segnale attraversa:, uscite dell'amplificatore, Ingresso ADC o amplificatore audio. Ogni segnale analogico dovrebbe essere elaborato per ridurre la probabilità che rilevino il rumore. L'obbligo di ridurre al minimo l'area aperta della tavola quando possibile si applica anche alle tracce a bassa impedenza; in questo caso abbiamo una potenziale sorgente ("antenna") che emette segnali interferenti ad altre parti del PCB o ad altre apparecchiature. Ripetere, minore è l'area aperta della tavola, meglio è. Anche gli altri due fili sono critici, la striscia proviene dall'uscita dell'interruttore del IC al diodo e al nodo dell'induttore; il secondo è dal diodo a questo nodo. Questi due fili hanno un alto di/dt sia quando l'interruttore è acceso che quando il diodo passa la corrente, Quindi questi fili dovrebbero essere il più corto e spesso possibile. I fili da questo nodo all'induttore e dall'induttore al COUT sono meno critici. In questo esempio, la corrente dell'induttore è relativamente costante e varia lentamente. Tutto quello che dobbiamo fare è assicurarci che sia un punto di bassa impedenza per ridurre al minimo la caduta di tensione.

Analisi pratica del campione

Il componente principale è un controller che funziona con FET esterni in un pacchetto MSOP-8. Prestare attenzione allo spazio vicino a CIN, il punto di terra di questo condensatore è direttamente collegato all'anodo del diodo. Non puoi accorciare il cavo all'interno della "terra di potere"! Il FET[SW] può essere spostato su di alcuni millimetri per accorciare il filo tra il catodo-induttore-FET. L'area COUT è invisibile. Ma possiamo osservare che il divisore di resistenza (FB1-FB2) è molto vicino a questo IC. FB2 è collegato ad un altro piano di terra indipendente, e i perni di terra del IC sono trattati allo stesso modo. Utilizzare tre vie per collegare il "segnale" di terra al piano di terra, e la terra di "potenza" è anche collegata al perno GND del Scheda PCB con tre flaconcini. Da questa parte, il terreno "segnale" non vede alcun rimbalzo del terreno che si verifica sul terreno "potenza". Se potete seguire alcune semplici regole sopra, Il design del layout PCB sarà più fluido. Prima di avviare la progettazione del layout, prendere il tempo di considerare attentamente la Scheda PCB La progettazione del layout avrà un effetto moltiplicatore, che può aiutare a risparmiare tempo nella risoluzione di comportamenti anomali nell'alimentazione elettrica di commutazione in futuro.