PCB Tecnico - Alimentazione elettrica per progettazione isolata del layout della scheda PCB dell'interruttore

Un buon design della scheda PCB ottimizza l'efficienza, mitiga lo stress termico e minimizza il rumore e gli effetti tra tracce e componenti. Tutto deriva dalla comprensione del progettista dei percorsi di conduzione corrente e del flusso del segnale nell'alimentazione elettrica. Quando un prototipo di power strip è stato alimentato per la prima volta, non era solo funzionale, ma anche silenzioso e basso calore. Tuttavia, questo è raro. Un problema comune con la commutazione di alimentatori è la commutazione di forme d'onda "instabili". A volte, il jitter della forma d'onda è nella gamma acustica e i componenti magnetici producono rumore udibile. Se il problema è con il layout del circuito stampato, può essere difficile capire la causa. Pertanto, il corretto layout PCB nella fase iniziale della progettazione dell'alimentazione elettrica di commutazione è molto critico. I progettisti di alimentatori devono avere una buona comprensione dei dettagli tecnici, nonché dei requisiti funzionali del prodotto finale. Pertanto, fin dall'inizio di un progetto di progettazione della scheda, il progettista dell'alimentazione elettrica dovrebbe lavorare a stretto contatto con il progettista del layout PCB sui layout critici dell'alimentazione. Un buon design del layout ottimizza l'efficienza energetica e mitiga lo stress termico; Ancora più importante, riduce al minimo il rumore e le interazioni tra i componenti traccia. Per raggiungere questi obiettivi, i progettisti devono comprendere i percorsi di conduzione corrente e il flusso del segnale all'interno dell'alimentazione di commutazione. Per ottenere un layout adeguato per un alimentatore switching non isolato, è importante tenere presenti questi elementi di progettazione.

FloorplanPer un alimentatore DC / DC incorporato su circuiti stampati di grandi dimensioni, ottenere la regolazione della tensione, la risposta transitoria del carico e l'efficienza del sistema richiede di posizionare l'uscita dell'alimentazione elettrica vicino al dispositivo di carico, minimizzando l'impedenza di interconnessione e la caduta di tensione di conduzione sulle tracce del PCB. Garantire un buon flusso d'aria per limitare lo stress termico; se è disponibile il raffreddamento ad aria forzata, posizionare l'alimentatore vicino alla ventola. Inoltre, i componenti passivi di grandi dimensioni come induttori e condensatori elettrolitici non devono bloccare il flusso d'aria attraverso componenti semiconduttori a basso profilo montati su superficie come MOSFET di potenza o controller PWM. Per evitare che il rumore di commutazione interferisca con i segnali analogici nel sistema, evitare di posizionare il più possibile linee di segnale sensibili sotto l'alimentatore; altrimenti, un piano di terra interno deve essere posizionato tra lo strato di alimentazione e il piccolo strato di segnale per la schermatura. La chiave è pianificare la posizione degli alimentatori, così come il fabbisogno di spazio della scheda, nelle prime fasi di progettazione e pianificazione del sistema. A volte i progettisti ignorano questo consiglio e si concentrano sui circuiti più "importanti" o "emozionanti" su schede di sistema di grandi dimensioni. La gestione dell'alimentazione è vista come un ripensamento, e posizionare gli alimentatori in eccesso di spazio sulla scheda è dannoso per i progetti di alimentazione efficienti e affidabili. Per le schede multistrato, un buon approccio è quello di posizionare uno strato di tensione di ingresso/uscita DC a terra o DC tra gli strati dei componenti di potenza ad alta corrente e gli strati sensibili di traccia di piccoli segnali. Il piano di terra o il piano di tensione DC fornisce un terreno AC che protegge le piccole tracce di segnale da tracce di potenza rumorose e componenti di alimentazione. Come regola generale, né il piano di terra né il piano di tensione CC di un PCB multistrato devono essere separati. Se questa separazione è inevitabile, il numero e la lunghezza delle tracce su questi strati dovrebbero essere minimizzati e le tracce dovrebbero essere posizionate nella stessa direzione della corrente elevata per ridurre al minimo l'impatto. Layout della fase di alimentazioneIl circuito di alimentazione di commutazione può essere diviso in due parti: circuito della fase di alimentazione e piccolo circuito di controllo del segnale. I circuiti di fase di alimentazione contengono componenti che trasportano alte correnti, e in genere questi componenti sono posizionati per primi, seguiti dal posizionamento di circuiti di controllo a piccolo segnale in punti specifici del layout. Le tracce ad alta corrente dovrebbero essere corte e larghe per ridurre al minimo l'induttanza PCB, la resistenza e la caduta di tensione. Questo aspetto è particolarmente importante per quelle tracce con alte correnti di impulso di/dt. Il condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza CHF dovrebbe essere un condensatore ceramico di 0.1uf ~ 10uf, X5R o X7R dielettrico, che ha ESL estremamente basso (induttanza di serie effettiva) e ESR (resistenza di serie equivalente). I dielettrici capacitivi più grandi (come Y5V) possono avere grandi cali nel valore di capacità a tensioni e temperature diverse, e quindi non sono materiali CHF. Questo problema può essere risolto aggiungendo due condensatori ceramici ad alta frequenza ad 1 nebbia all'estremità di ingresso di ogni canale. I condensatori isolano l'area del ciclo termico di ogni canale e ne facilitano l'utilizzo. La forma d'onda di commutazione è stabile anche a correnti di carico fino a 30A. Area di commutazione alta DV/DT Questa giunzione è ricca di componenti di rumore ad alta frequenza ed è una potente fonte di rumore EMI. Per ridurre al minimo la capacità di accoppiamento tra la giunzione dell'interruttore e altre tracce sensibili al rumore, è consigliabile mantenere l'area di rame SW il più piccola possibile. Tuttavia, al fine di condurre una grande corrente induttrice e fornire un'area di dissipazione del calore per il MOSFET di potenza, l'area PCB del nodo SW non dovrebbe essere troppo piccola. Si raccomanda generalmente di posizionare un'area di lamina di rame messa a terra sotto la giunzione dell'interruttore per fornire schermatura aggiuntiva. Se non c'è dissipatore di calore per MOSFET di potenza di montaggio superficiale e induttori nella progettazione, l'area della lamina di rame deve avere un'area sufficiente di dissipazione del calore. Per le giunzioni di tensione CC (come tensione di ingresso/uscita e potenza di terra), è ragionevole rendere l'area della lamina di rame il più grande possibile. Le vie multiple aiutano a ridurre ulteriormente lo stress termico. Determinare l'area di rame appropriata per una giunzione ad alto commutatore dv/dt richiede un equilibrio progettuale tra ridurre al minimo il rumore legato al dv/dt e fornire una buona dissipazione del calore MOSFET. Per disaccoppiare i condensatori, i vias positivi e negativi dovrebbero essere il più vicini possibile l'uno all'altro per ridurre l'ESL del PCB. Questo è particolarmente efficace per condensatori ESL bassi. Condensatori ESR di piccolo valore e basso valore sono generalmente più costosi e modelli di pad errati e tracce scarse possono degradare le loro prestazioni e aumentare il costo complessivo. In generale, una forma ragionevole del pad può ridurre il rumore del PCB, ridurre la resistenza termica e ridurre al minimo l'impedenza di traccia e la caduta di tensione dei componenti ad alta corrente. Un malinteso comune nella posa di componenti ad alta potenza di corrente è l'uso errato del rilievo termico. L'uso non necessario di pastiglie ad aria calda aumenterà l'impedenza di interconnessione tra i componenti di potenza, con conseguente maggiore perdita di potenza e riducendo l'effetto di disaccoppiamento dei piccoli condensatori ESR. Se i vias sono utilizzati per condurre grandi correnti durante il layout, assicurarsi che abbiano un numero sufficiente per ridurre l'impedenza. Inoltre, non utilizzare cuscinetti ad aria calda per questi vias. Disposizione del circuito di controllo Mantieni i circuiti di controllo lontani dalle zone di rame rumorose dell'interruttore. Per un convertitore buck, è una buona idea posizionare il circuito di controllo vicino a VOUT+, mentre per un convertitore boost, il circuito di controllo dovrebbe essere posizionato vicino a VIN+, consentendo alle tracce di alimentazione di trasportare corrente continua. Se lo spazio lo consente, mantenere una piccola distanza (da 0,5 pollici a 1 pollice) tra l'IC di controllo e i MOSFET di potenza e gli induttori (sia componenti ad alto rumore che ad alto calore). Se lo spazio è limitato e si è costretti a posizionare il controller vicino ai MOSFET di potenza e all'induttore, è necessario prestare particolare attenzione per isolare il circuito di controllo dai componenti di potenza con un piano di terra o tracce di terra. Il circuito di controllo deve avere un segnale separato (analo)

Loop Area e CrosstalkDue o più conduttori adiacenti possono creare accoppiamento capacitivo. Un alto dv/dt su un conduttore accoppia una corrente sull'altro conduttore attraverso capacità parassitaria. Per ridurre il rumore di accoppiamento dalla fase di alimentazione al circuito di controllo, tenere le tracce rumorose dell'interruttore lontano da piccole tracce sensibili di segnale. Se possibile, instradare tracce ad alto rumore su strati separati da tracce sensibili e utilizzare il piano di terra interno come scudo acustico. Se lo spazio lo consente, l'IC di controllo deve essere mantenuto una piccola distanza (da 0,5 pollici a 1 pollice) dal MOSFET di potenza e dall'induttore, che sono sia rumorosi che generatori di calore. Durante l'instradamento dei segnali di azionamento del gate, l'utilizzo di tracce corte e larghe aiuta a ridurre al minimo l'impedenza nel percorso di azionamento del gate. Posizionare le tracce del driver alto FET TG e SW con l'area del loop appropriata per ridurre al minimo l'induttanza e l'alto rumore dv/dt. Allo stesso modo, il basso FET driver trace BG dovrebbe essere posizionato vicino a una traccia PGND. Se un piano PGND è posizionato sotto la traccia BG, la corrente di ritorno a terra AC del FET basso si accoppia automaticamente in un percorso vicino alla traccia BG. La corrente CA fluirà al loop/impedenza che trova. A questo punto, il driver low gate non richiede una traccia di ritorno PGND separata. La soluzione è quella di ridurre al minimo il numero di strati attraverso cui passano le tracce dell'unità gate, impedendo al rumore del gate di propagarsi ad altri livelli. Di tutte le piccole tracce di segnale, le tracce di senso attuali sono sensibili al rumore. L'ampiezza del segnale di rilevamento corrente è solitamente inferiore a 100mV, che è paragonabile all'ampiezza del rumore. Prendendo l'LTC3855 come esempio, le tracce Sense+/Sense- dovrebbero essere posizionate in parallelo con la spaziatura (Kelvin detection) per ridurre al minimo la possibilità di rilevare rumore correlato di/dt. Inoltre, le resistenze filtranti e i condensatori per tracce di senso corrente dovrebbero essere il più vicino possibile ai pin IC. L'effetto filtrante di questa struttura quando c'è rumore iniettato in lunghe linee sensoriali. Scelta della larghezza di traccia Livelli di corrente e sensibilità al rumore sono gli stessi per pin specifici del controller, quindi è necessario selezionare larghezze di traccia specifiche per segnali diversi. Di solito, la piccola rete di segnale può essere più stretta, utilizzando tracce di larghezza 10mil~15mil. Le reti ad alta corrente (gate drive, VCC e PGND) dovrebbero utilizzare tracce corte e larghe. Le tracce di queste reti sono raccomandate per essere larghe almeno 20 mil su scheda PCB.