PCB Tecnico - Progettazione PCB per convertitori buck, boost e SEPIC

Il corretto layout PCB è uno dei fattori più importanti per una progettazione di alimentazione di successo. La sezione di alimentazione non isolata è il blocco di base del sistema di alimentazione. Comprendere la direzione del flusso corrente e come viene costruito il ciclo ad alta frequenza è probabilmente il passo più importante nella progettazione del PCB.

Questo articolo discute le tecniche di progettazione dell'alimentazione per la sezione di alimentazione Buck, Boost e Single-End Primary Induttance Converter (SEPIC).

Convertitore graduale

In primo luogo, utilizziamo un convertitore buck la cui tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso. La figura 1 mostra lo schema e il layout PCB di questo convertitore buck.

Questo schema semplificato include condensatori di ingresso e uscita, induttori, transistor di commutazione e diodi di blocco

Durante il periodo di accensione del modulatore di larghezza di impulso (PWM), la corrente scorre lungo il percorso indicato dalla freccia verde, dal condensatore di ingresso all'induttore attraverso il transistor di commutazione. Durante il periodo di inattività PWM, la corrente continua a scorrere attraverso l'induttore lungo il percorso della freccia rosa. Ciò significa che l'uscita ha una corrente continua.

La corrente ad alta frequenza in ingresso viene accesa e spenta una volta in ogni ciclo. La parte più importante in questo layout della sezione di potenza è quella di ridurre i cicli ad alta frequenza. La freccia blu nella parte superiore riflette questo ciclo. Durante la conduzione del transistor, la corrente scorre brevemente attraverso il diodo D1 a terra. Durante questo periodo, se i condensatori di ingresso non sono molto vicini l'uno all'altro, allora questa grande sovratensione di corrente può causare alcuni problemi di progettazione.

Assicurarsi che la traccia di alimentazione o il piano di alimentazione abbia larghezza sufficiente per trasportare la corrente di alimentazione. In generale, il piano di potenza dovrebbe essere il più grande possibile tranne che per il nodo di commutazione. C'è un grande segnale dv / dt sul nodo switch, che può essere accoppiato ad altre parti del layout PCB. Pertanto, riducendo il più possibile la sua superficie può ottenere un buon design. Utilizzare più vias per collegare piani di potenza su diversi strati. La semplice regola del pollice è che ogni via (perforazione 10mil) non dovrebbe superare 1A. Se è possibile creare un piano di terra continuo grande come una scheda PCB, aiuterà a ridurre il rumore e i cicli ad alta frequenza.

Convertitore boost

Il convertitore boost viene utilizzato per generare una tensione di uscita superiore da una tensione di ingresso inferiore. È possibile utilizzare lo stesso processo in un convertitore boost come in un convertitore buck per identificare percorsi e loop critici.

Durante il periodo PWM on, la corrente scorre dal terminale di ingresso al transistor di commutazione (mostrato dalla freccia verde) attraverso l'induttore. Durante questo periodo, l'energia si accumula nell'induttore e poi si trasferisce all'uscita quando il PWM è spento. Ora la corrente scorre lungo la freccia rosa, dall'ingresso all'uscita. Ciò significa che la corrente sul lato di ingresso è continua. La corrente all'uscita è una corrente di commutazione ad alta frequenza. Per ridurre al minimo il rumore ad alta frequenza, il loop mostrato in blu nella figura deve essere il più breve possibile.

Durante il periodo di conduzione del transistor, la corrente scorre solo brevemente dall'uscita al suolo attraverso il diodo. Se questa corrente non è correttamente deviata dal condensatore di uscita, può causare problemi nella progettazione dell'alimentazione elettrica. Le tecniche generali di layout utilizzate per i convertitori buck possono essere applicate anche a questo convertitore boost. Ridurre al minimo l'area del nodo dell'interruttore e utilizzare più vias per connettersi al piano di terra.

Convertitore SEPIC

Quando la tensione di ingresso è superiore o inferiore alla tensione di uscita, il convertitore SEPIC può essere utilizzato. Questo tipo di convertitore di potenza può svolgere il ruolo di spinta quando la tensione in ingresso è inferiore all'uscita e può svolgere il ruolo di step-down quando la tensione in ingresso è superiore all'uscita. Questo circuito utilizza due induttori o un singolo induttore di accoppiamento.

Poiché ci sono due induttori, ci sono due percorsi di corrente per ogni parte del ciclo di commutazione. Durante il PWM on periodo, la corrente scorre lungo la freccia verde e accumula energia nell'induttore. Quando il PWM è spento, l'energia viene trasferita all'uscita attraverso il percorso di corrente rosa. In questo progetto SEPIC, la corrente in ingresso è continua. L'estremità di uscita presenta correnti di commutazione ad alta frequenza, quindi il loop deve essere minimizzato. Si consiglia di utilizzare un via vicino al condensatore di uscita per collegarsi al piano di terra. Il piano di terra può fornire un percorso a bassa impedenza tra tutti i componenti PCB, riducendo così il rumore.

Osservazioni conclusive

La progettazione del layout di potenza è un compito molto difficile. Il primo passo è determinare come scorre la corrente nell'alimentazione elettrica, quindi trovare e minimizzare i cicli ad alta frequenza. Successivamente, utilizzare il piano di terra e il piano di alimentazione per collegare i componenti PCB in modo ad impedenza molto bassa. Assicurarsi che il piano utilizzato abbia una larghezza sufficiente per trasportare la corrente progettata. Il nodo di commutazione ad alta frequenza dovrebbe essere il più piccolo possibile per ridurre la possibilità di accoppiamento acustico ad altri segnali. Utilizzare molti vias per collegare grandi piani di terra continui di vari dispositivi può anche essere un buon design.