Технология PCB - Конструкция панели PCB питания с изолированным переключателем

Хорошая конструкция PCB - панелей оптимизирует эффективность, уменьшает тепловое напряжение и минимизирует шум и влияние между линиями и компонентами. Все это проистекает из понимания дизайнерами путей электропроводки и сигнальных потоков в источнике питания. Когда прототип панели питания впервые включен, он не только полностью функционален, но и имеет небольшой шум. Однако это редкость. Одной из распространенных проблем с переключателем питания является « нестабильная» форма волны переключателя. Иногда форма волны дрожит в акустическом диапазоне, а магнитные компоненты создают слышимый шум. Если проблема связана с макетом печатной платы, может быть трудно выяснить причину. Поэтому правильная компоновка PCB имеет решающее значение на ранних этапах проектирования переключателя питания. Дизайнеры питания должны хорошо понимать технические детали и функциональные требования конечного продукта. Поэтому с самого начала проекта по проектированию панелей дизайнеры питания должны работать в тесном контакте с дизайнерами PCB макетов по ключевым макетам питания. Хорошая конструкция компоновки оптимизирует эффективность мощности и снижает тепловое напряжение; Что еще более важно, это минимизирует взаимодействие между шумом и компонентами отслеживания. Для достижения этих целей дизайнер должен понимать путь тока и поток сигнала в источнике питания переключателя. Чтобы реализовать правильную компоновку источника питания с незащищенными переключателями, важно помнить эти элементы дизайна.

План для встроенного источника питания DC / DC на большой печатной плате, чтобы получить регулировку напряжения, переходную реакцию нагрузки и эффективность системы, выход питания должен быть близок к нагруженному устройству, чтобы свести к минимуму сопротивление межсоединения и падение проводимости на дорожке PCB. Обеспечить хороший поток воздуха для ограничения теплового напряжения; Если вы можете принудительно охладить воздух, пожалуйста, приблизите устройство питания к вентилятору. Кроме того, большие пассивные элементы, такие как индукторы и электролитические конденсаторы, не должны блокировать воздушный поток от установки полупроводниковых элементов через тонкие поверхности, такие как MOSFET или PWM - контроллеры мощности. Для предотвращения аналоговых сигналов в системе шумовых помех переключателя, насколько это возможно, избегайте размещения чувствительных сигнальных линий под источником питания; В противном случае необходимо разместить внутреннюю плоскость заземления между силовым и небольшим сигнальными слоями для защиты. Ключевым моментом является планирование местоположения источника питания и требований к пространству панели на ранних этапах проектирования и планирования системы. Иногда дизайнеры игнорируют это предложение и сосредотачивают свое внимание на более « важном» или « захватывающем» контуре на большой системной плате. Управление питанием считается постфактум, и размещение источника питания в избыточном пространстве на панели вредно для эффективной и надежной конструкции источника питания. Для многослойных пластин хорошим способом является размещение заземления DC или слоя входного / выходного напряжения DC между слоями силовых элементов с высоким током и чувствительными слоями малого сигнального следа. Плоскость заземления или плоскость напряжения DC обеспечивают заземление AC, которое защищает линию малого сигнала от шумовых линий мощности и компонентов мощности. Как правило, ни плоскость заземления многослойного PCB, ни плоскость напряжения постоянного тока не должны быть разделены. Если такое разделение неизбежно, количество и длина следов на этих слоях должны быть сведены к минимуму, а след должен быть размещен в том же направлении, что и высокий ток, чтобы минимизировать воздействие. Схема питания переключателя компоновки уровня мощности может быть разделена на две части: цепь уровня мощности и цепь управления малым сигналом. Схемы уровня мощности содержат компоненты, несущие высокие токи, которые обычно размещаются сначала, а затем небольшие схемы управления сигналом в определенных точках макета. Маршруты с высоким током должны быть короткими и широкими, чтобы свести к минимуму индуктивность, сопротивление и падение напряжения PCB. Этот аспект особенно важен для трассировочных линий с высоким импульсным током di / dt. Высокочастотный развязывающий конденсатор CHF должен быть керамическим конденсатором с диэлектриком 0,1uf ~ 10uf, X5R или X7R с очень низким ESL (эффективная индуктивность последовательного соединения) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Более крупные конденсаторные диэлектрики (например, Y5V) могут иметь большее снижение емкости при различных напряжениях и температурах и, следовательно, не являются материалами CHF. Эта проблема может быть решена путем добавления двух высокочастотных керамических конденсаторов 1 мм на входной стороне каждого канала. Конденсаторы изолируют область теплового кольца каждого канала, что делает его более простым в использовании. Даже при нагрузочном токе до 30А форма волны переключателя стабильна. Область переключателя высокого DV / DT, которая богата высокочастотными шумовыми компонентами, является мощным источником шума EMI. Чтобы свести к минимуму емкость связи между переключательным узлом и другими шумочувствительными следами, вам, возможно, потребуется сохранить SW медь как можно меньше. Однако для передачи большого тока индуктора и обеспечения площади охлаждения для мощного MOSFET площадь PCB узла SW не должна быть слишком маленькой. Обычно рекомендуется разместить область заземленной медной фольги под разъемом переключателя, чтобы обеспечить дополнительную защиту. Если радиатор, предназначенный для установки на поверхности мощности MOSFET и индукторов, не предусмотрен, область медной фольги должна иметь достаточную площадь для отвода тепла. Для переходов напряжения постоянного тока (например, входное / выходное напряжение и заземление источника питания) разумно максимально увеличить площадь медной фольги. Несколько отверстий способствуют дальнейшему снижению теплового напряжения. Определение подходящей площади меди для переключателя с высоким DV / DT требует проектного баланса между минимизацией шума, связанного с DV / DT, и обеспечением хорошего охлаждения MOSFET. Форма электрического сварного диска для развязывающих конденсаторов, положительное и отрицательное перфорации должны быть как можно ближе, чтобы уменьшить ESL PCB. Это особенно эффективно для конденсаторов с низким ESL. Меньшие конденсаторы с низким ESR, как правило, более дорогие, а неправильный рисунок сварного диска и плохая линия следа снижают их производительность и увеличивают общую стоимость. В целом, рациональная форма сварного диска может уменьшить шум PCB, уменьшить тепловое сопротивление и минимизировать сопротивление следа и падение напряжения высокотоковых элементов. При установке мощных элементов большого тока распространенным заблуждением является неправильное использование радиатора. Ненужное использование термовентиляторного диска увеличивает взаимное сопротивление между силовыми компонентами, что приводит к большим потерям мощности и снижает эффект развязки небольших конденсаторов ESR. Если во время компоновки используются отверстия для передачи больших токов, убедитесь, что они имеют достаточное количество для снижения сопротивления. Кроме того, не используйте горячие воздушные подушки для этих перфораций. Компоновка цепи управления удаляет цепь управления от шумной медной области переключателя. Для понижающих преобразователей цепь управления лучше всего разместить вблизи VOUT +, а для повышающих преобразователей цепь управления должна быть расположена вблизи VIN +, позволяя проводам питания нести непрерывный ток. Если пространство позволяет, сохраняйте небольшое расстояние (от 0,5 до 1 дюйма) между контрольным IC и мощными MOSFET и индукторами (с высоким уровнем шума и тепловыми элементами). Если пространство ограничено, и вам приходится приближать контроллер к силовым MOSFET и индукторам, вы должны быть особенно осторожны, изолируя цепь управления от силовых компонентов плоскостью заземления или линией заземления. Схема управления должна иметь отдельный сигнал (analo)

Площадь кольца и последовательное возмущение двух или более соседних проводников могут создавать конденсаторные связи. Высокий DV / DT на одном проводнике связывает ток на другом через паразитную емкость. Чтобы уменьшить шум связи от уровня мощности до цепи управления, след шумного переключателя удаляется от чувствительного малого сигнального следа. Там, где это возможно, провода высокошумных следов прокладываются на слоях, отделенных от чувствительных следов, и используют внутреннюю плоскость заземления в качестве шумовой защиты. Если пространство позволяет, управляющая IC должна находиться на небольшом расстоянии (от 0,5 дюйма до 1 дюйма) от силовых MOSFET и индукторов, поскольку они оба производят шум и тепло. Когда сигнал направляется сеткой маршрутизации, использование коротких и широких трасс помогает минимизировать сопротивление на пути привода сетки. Высокий FET - привод TG и SW размещается вместе с соответствующей площадью кольца, чтобы минимизировать индуктивность и высокий DV / DT шум. Аналогичным образом, BG - трек с низким FET - приводом должен быть размещен вблизи маршрута PGND. Если плоскость PGND расположена ниже линии BG - следа, обратный ток заземления AC с низким FET автоматически связывается с дорогой, близкой к линии BG - следа. Электрический ток переменного тока направляется к контуру / сопротивлению, которое он находит. На данный момент для приводов с низкой сеткой не требуется отдельный PGND для возврата на трассу. Решение состоит в том, чтобы минимизировать количество слоев, проходящих через линию следа, которая управляется сеткой, что предотвращает распространение шума сетки на другие слои. Во всех небольших сигнальных линиях линии электрического гриппа чувствительны к шуму. Диапазон сигнала обнаружения тока обычно меньше 100 мВ, что соответствует амплитуде шума. Например, LTC3855, Sense + / Sense - трассировка должна быть размещена параллельно расстоянию (обнаружение Кельвина), чтобы свести к минимуму шансы на получение шума, связанного с di / dt. Кроме того, фильтры, резисторы и конденсаторы, используемые для определения следов электрического гриппа, должны быть как можно ближе к выводам IC. Когда шум вводится в длинную сенсорную линию, эффект фильтрации этой структуры. Выбор ширины линии следа Уровень тока и чувствительность к шуму у конкретного контроллера одинаковы, поэтому необходимо выбрать конкретную ширину линии следа для разных сигналов. Как правило, небольшие сигнальные сети могут быть более узкими, используя линию следа шириной от 10 до 15 миль. Большие токовые сети (с сеточным приводом, VCC и PGND) должны использовать короткие и широкие маршруты. Предполагается, что эти сети имеют ширину не менее 20 миль на PCB - панели.