PCB Tecnico - Disposizione PCB della progettazione del regolatore di commutazione

Perché un buon layout PCB è importante?

Ogni traccia PCB da 2,5 cm ha un'induttanza di traccia di circa 20nH. Il valore esatto dell'induttanza dipende dallo spessore, dalla larghezza e dalla geometria della traccia, ma in base all'esperienza, è generalmente possibile prendere 20nH / 2,5 cm. Assumendo che un regolatore buck fornisca una corrente di uscita di 5A, si vedrà l'interruttore corrente da 0A a 5A. Quando la corrente di commutazione è grande e il tempo di transizione di commutazione è breve, la formula seguente può essere utilizzata per calcolare l'induttanza di traccia minuscola Quanto offset di tensione viene generato:

Assumendo che la lunghezza del cavo sia di 2.5cm (20nH), la corrente di uscita è 5A (corrente di commutazione 5A nel regolatore buck), e il tempo di commutazione dell'interruttore di alimentazione MOSFET è 30ns, quindi l'offset di tensione sarà 3.33V.

Si può vedere che un'induttanza di traccia di soli 2,5 cm può produrre un notevole offset di tensione. Questo spostamento porta anche spesso al completo guasto dell'alimentazione in modalità switch. Posizionando il condensatore di ingresso a pochi centimetri di distanza dal pin di ingresso del regolatore di commutazione, di solito l'alimentazione di commutazione non funziona. Su un circuito stampato con layout improprio, se l'alimentazione di commutazione può ancora funzionare, produrrà interferenze elettromagnetiche molto grandi (EMI).

Nella formula di cui sopra, l'unico parametro che può essere modificato è l'induttanza della traccia. Le tracce possono essere fatte il più breve possibile per ridurre l'induttanza della traccia. I fili di rame più spessi aiutano anche a ridurre l'induttanza. Poiché la potenza richiesta dal carico è fissa, i parametri correnti non possono essere modificati. Per il tempo di conversione, può essere cambiato, ma generalmente non vuole cambiare. Rallentare il tempo di commutazione può ridurre l'offset di tensione che viene generato, riducendo così EMI, ma la perdita di commutazione aumenterà e dovrai lavorare a una frequenza di commutazione inferiore e utilizzare dispositivi di alimentazione costosi e ingombranti.

trova la traccia della corrente CA

Nel layout PCB dell'alimentatore in modalità switch, il criterio più importante è rendere le tracce CA il più brevi possibile in qualche modo. Se si può seguire attentamente questa regola, si può dire che un buon layout del circuito è riuscito all'80%. Per trovare questi AC che cambiano la corrente da "full current" a "no current" in un breve tempo (tempo di conversione) Route, disegnare il diagramma schematico tre volte. Si tratta di un semplice alimentatore di modalità di commutazione step-down. Nel diagramma schematico in alto, il flusso corrente durante l'orario è disegnato con una linea tratteggiata. Nel diagramma schematico centrale, il flusso corrente durante il tempo di inattività è disegnato con una linea tratteggiata. Lo schema in basso è particolarmente degno di nota. Qui, tutte le tracce in cui le correnti cambiano da tempo a tempo libero sono disegnate.

Attraverso questo metodo, è possibile trovare facilmente le tracce di corrente CA di qualsiasi topologia di alimentazione switch-mode.

Quando si valuta il layout e il routing esistenti del circuito stampato, un buon modo è stamparlo su carta e posizionare una scheda di plastica trasparente, quindi utilizzare penne colorate diverse per disegnare la corrente durante l'orario di apertura e chiusura. Direzione del flusso e cablaggio CA corrispondente. Anche se tendiamo a pensare che questo compito relativamente semplice possa essere fatto nella nostra mente, spesso facciamo alcuni piccoli errori nel processo di pensiero. Pertanto, si consiglia vivamente di disegnare linee su carta.

Realizzare un buon layout PCB e routing

Il cablaggio AC del regolatore buck. Va notato che alcune tracce di terra sono anche tracce AC, e devono anche essere mantenute il più breve possibile. Inoltre, per questi percorsi di corrente CA, si consiglia di non utilizzare alcun vias, perché anche l'induttanza dei vias è abbastanza alta. Ci sono pochissime eccezioni a questa regola. Se il percorso AC non utilizza vias, in realtà causerà una induttanza di traccia più grande della via stessa, quindi si consiglia di utilizzare vias. Vias multipli in parallelo è meglio che usare solo una singola via.

Esempio di layout del circuito stampato utilizzando il regolatore step-down ADP2300. Verificare se il cablaggio AC nella figura è disposto secondo il percorso più breve in assoluto.

Il collegamento A è disposto nel percorso più breve possibile, perché il collegamento laterale alto di C2 può essere collegato al MOSFET di commutazione (pin 5 di ADP2300, vale a dire il pin Vin) con la traccia più breve.

Il collegamento B è la traccia tra il pin 6 (perno SW) e il lato catodico del diodo D1. Vediamo anche che la traccia è il più breve possibile per ridurre l'induttanza della traccia.

Il collegamento C è la traccia tra l'anodo del diodo D1 e il collegamento a terra di C2. I pad PCB di questi due dispositivi sono adiacenti l'uno all'altro e hanno la più bassa induttanza di traccia. Inoltre, aiuta anche che la corrente CA non passi attraverso un piano di terra silenzioso. Il piano di terra dovrebbe essere utilizzato solo come tensione di riferimento e preferibilmente nessuna corrente (specialmente nessuna corrente CA) scorre attraverso il piano di terra. I vias accanto a C2 collegano l'area del terreno sullo strato superiore del PCB al terreno sullo strato inferiore, ma nessuna corrente CA scorre attraverso questi vias.

Considerazioni particolari per l'induttanza

In termini di EMI, l'induttanza deve essere presa in considerazione. Il dispositivo reale non è così simmetrico come molti pensano. L'induttore ha un nucleo magnetico e il nucleo magnetico circonda il filo. L'avvolgimento ha sempre una fine iniziale e una fine finale. L'estremità iniziale è collegata all'avvolgimento interno dell'induttore e l'estremità finale è collegata all'avvolgimento esterno dell'induttore. L'inizio dell'avvolgimento è solitamente contrassegnato con un punto sul dispositivo. È molto importante collegare l'estremità iniziale al nodo di commutazione rumoroso e l'estremità finale a una tensione silenziosa. Per un regolatore buck, la tensione silenziosa è la tensione di uscita. In questo modo, la tensione fissa sull'avvolgimento esterno può schermare elettricamente la tensione del nodo dell'interruttore CA sull'avvolgimento interno, in modo che l'EMI dell'alimentazione elettrica sia inferiore.

Per inciso, il cosiddetto induttore schermato è lo stesso. L'esterno dell'induttore schermato con una certa permeabilità magnetica utilizza un certo materiale schermante, che stringe la maggior parte delle linee magnetiche di forza sul lato del pacchetto. Tuttavia, questo materiale può solo sopprimere il campo magnetico, non il campo elettrico. La tensione CA sull'avvolgimento esterno è principalmente un problema causato dall'accoppiamento elettrico o capacitivo e il materiale di schermatura dell'induttore di schermatura non inibisce tale accoppiamento. Pertanto, l'induttore di schermatura dovrebbe anche essere posizionato sul circuito stampato per collegare il nodo di commutazione rumoroso all'inizio dell'avvolgimento per ridurre al minimo l'EMI.

La base di un buon layout del circuito per un alimentatore in modalità switch

I corsi di ingegneria generalmente non insegnano come ottenere un buon layout del circuito stampato. I corsi RF ad alta frequenza studieranno l'importanza dell'impedenza di traccia, ma gli ingegneri che hanno bisogno di costruire il proprio alimentatore di sistema di solito non considerano l'alimentazione come un sistema ad alta frequenza e ignorano l'importanza del layout e del routing del circuito stampato. La maggior parte dei problemi causati da layout e cablaggio impropri del circuito stampato possono essere attribuiti a tracce di corrente CA incontrollate il più breve e compatto possibile. Comprendere le ragioni dietro le linee guida di layout dei circuiti stampati descritte in questo articolo e seguirle rigorosamente ridurrà al minimo eventuali problemi relativi alla progettazione dei PCB con gli alimentatori switch-mode.