Thông tin PCB - Những điểm cơ bản của bố trí bảng mạch PCB chuyển mạch cung cấp điện

Chuyển đổi cung cấp điện PCB bảng bố trí là một quá trình quan trọng trong phát triển sản phẩm cung cấp điện. Trong nhiều trường hợp, nguồn điện được thiết kế hoàn hảo trên giấy có thể không hoạt động đúng trong quá trình gỡ lỗi ban đầu do nhiều vấn đề với cách bố trí PCB cung cấp điện. Các điểm cơ bản của bố trí PCB chuyển mạch được thảo luận chi tiết và một số ví dụ về bố trí PCB thực tế được đưa ra. Để phù hợp với nhịp độ thay đổi nhanh chóng của các thiết bị điện tử, các kỹ sư thiết kế sản phẩm có xu hướng chọn bộ chuyển đổi AC/DC dễ mua trên thị trường và lắp đặt nhiều bộ nguồn DC trực tiếp trên bảng mạch của hệ thống. Vì nhiễu điện từ được tạo ra bởi nguồn chuyển mạch có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử của họ, nên việc bố trí đúng PCB cung cấp điện trở nên rất quan trọng. Cách bố trí của PCB cung cấp năng lượng chuyển mạch hoàn toàn khác với cách bố trí của PCB mạch kỹ thuật số. Trong bố trí mạch kỹ thuật số, nhiều chip kỹ thuật số có thể được sắp xếp tự động thông qua phần mềm bảng mạch PCB và dây kết nối giữa các chip có thể được kết nối tự động thông qua phần mềm bảng mạch PCB. Nguồn điện chuyển đổi được phát hành bởi kiểu chữ tự động chắc chắn không hoạt động tốt. Do đó, các nhà hoạch định cần có một số hiểu biết về các quy tắc cơ bản của bố cục PCB của nguồn chuyển mạch và cách thức hoạt động của nguồn chuyển mạch.

1. Chuyển đổi nguồn cung cấp PCB bảng bố trí điểm chính

1.1 Đặc điểm lọc tần số cao tụ điện

Tụ điện phân thường có tụ điện lớn và cảm ứng loạt tương đương lớn. Vì tần số cộng hưởng của nó là rất thấp, nó chỉ có thể được sử dụng cho các bộ lọc tần số thấp. Tantali bình thường có điện dung lớn hơn và tương đương loạt cảm nhỏ hơn, do đó tần số cộng hưởng của nó cao hơn tụ điện phân và có thể được sử dụng cho bộ lọc tần số trung bình và cao. Tụ gốm và điện cảm loạt tương đương thường nhỏ, do đó tần số cộng hưởng của nó cao hơn nhiều so với tụ điện phân và tantali bình chứa điện, do đó nó có thể được sử dụng cho bộ lọc tần số cao và mạch bỏ qua. Vì tụ gốm tụ điện nhỏ có tần số cộng hưởng cao hơn tụ gốm công suất lớn, không thể chọn tụ gốm có điện dung quá cao khi chọn tụ bỏ qua. Để cải thiện các đặc tính tần số cao của tụ điện, nhiều tụ điện với các đặc tính khác nhau có thể được sử dụng song song. Hình 3 cho thấy hiệu quả của việc cải thiện trở kháng sau khi kết nối song song nhiều tụ điện với các đặc tính khác nhau. Điểm bố trí nguồn điện 1 tụ gốm bỏ qua không nên quá lớn, cảm ứng điện chuỗi ký sinh của nó càng nhỏ càng tốt. Nhiều tụ điện song song có thể cải thiện đặc tính trở kháng tần số cao của tụ điện.

1.2 Đặc tính lọc tần số cao của cuộn cảm

Trong nguồn chuyển mạch, Cp của cuộn cảm nên được điều khiển càng nhỏ càng tốt. Đồng thời, cần lưu ý rằng do cấu trúc cuộn dây khác nhau, cảm ứng của cùng một cuộn cảm sẽ có giá trị Cp khác nhau và cảm ứng của cùng một cuộn cảm dưới hai cấu trúc cuộn dây khác nhau sẽ có giá trị Cp khác nhau. 5 vòng cuộn cảm được quấn theo thứ tự. Giá trị Cp của cấu trúc cuộn dây này bằng 1/5 điện dung song song tương đương (C) của cuộn dây. 5 cuộn dây cuộn của cuộn cảm được quấn theo thứ tự chéo. Trong trường hợp cuộn dây 4 và 5 được đặt giữa cuộn dây 1, 2 và 3 và cuộn dây 1 và 5 rất gần nhau, Cp được tạo ra bởi cấu trúc cuộn dây này gấp đôi giá trị C của cuộn dây 1 lần. Có thể thấy rằng giá trị Cp của hai cuộn cảm có cùng độ cảm thực sự khác nhau nhiều lần. Trong bộ lọc tần số cao, nếu giá trị Cp của cuộn cảm quá lớn, tiếng ồn tần số cao có thể dễ dàng được ghép nối trực tiếp với tải thông qua Cp. Một cuộn cảm như vậy cũng mất chức năng lọc tần số cao. Trên bảng mạch PCB, Vin được định tuyến theo nhiều cách khác nhau thông qua L để tải (RL). Để giảm Cp của cảm ứng, hai chân của cảm ứng nên được giữ càng xa càng tốt. Dấu vết từ cực dương của Vin đến RL và âm của Vin đến RL nên càng gần càng tốt, tụ điện song song ký sinh của cuộn cảm nên càng nhỏ càng tốt, và khoảng cách giữa các tấm của chân cuộn cảm càng xa càng tốt.

1.3 Gương

Khái niệm gương trong lý thuyết điện từ sẽ giúp các nhà thiết kế nắm bắt bố cục PCB của nguồn chuyển mạch. Cảnh khi dòng điện một chiều chảy qua mặt đất. Dòng điện trở lại DC trên hình thành bây giờ được phân phối rất đồng đều trên toàn bộ hình thành. Tình huống khi dòng điện tần số cao chảy qua cùng một tầng. Tại thời điểm này, dòng điện xoay chiều ngược trên mặt đất chỉ có thể chảy ở giữa mặt đất và không có dòng điện ở hai bên mặt đất. Các nhà thiết kế mặt phẳng mặt đất nên cố gắng tránh đặt bất kỳ dấu vết nguồn điện hoặc tín hiệu nào trên mặt phẳng mặt đất. Một khi hệ thống dây điện trên mặt đất phá vỡ toàn bộ vòng lặp tần số cao, mạch tạo ra bức xạ sóng điện từ mạnh mẽ làm gián đoạn hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử xung quanh. Tránh đặt bất kỳ dấu vết nguồn điện hoặc tín hiệu nào trên mặt đất.

1.4 Vòng lặp tần số cao

Có nhiều vòng lặp tần số cao bao gồm các thiết bị điện trong nguồn chuyển mạch. Nếu mạch điện không được xử lý đúng cách, nó sẽ có tác động lớn đến hoạt động bình thường của nguồn điện. Để giảm tiếng ồn sóng điện từ được tạo ra bởi các vòng lặp tần số cao, diện tích của vòng lặp nên được kiểm soát nhỏ. Diện tích vòng lặp hiện tại tần số cao lớn, sẽ tạo ra nhiễu điện từ mạnh mẽ bên trong và bên ngoài vòng lặp. Với cùng một dòng điện tần số cao, toàn bộ mạch sẽ trở nên rất yên tĩnh khi diện tích mạch được thiết kế nhỏ và các trường điện từ bên trong và bên ngoài của mạch triệt tiêu lẫn nhau. Diện tích của vòng lặp tần số cao nên được giảm càng nhiều càng tốt.

1.5 Vị trí của overhole và pad

Nhiều nhà thiết kế thích đặt nhiều lỗ quá mức dưới bảng PCB nhiều lớp. Tuy nhiên, cần tránh đặt quá nhiều con đường trên đường trở lại dòng điện tần số cao. Nếu không, nó sẽ làm hỏng dấu vết của dòng điện tần số cao trên mặt đất. Nếu một số quá mức phải được đặt trên đường dẫn dòng điện tần số cao, có thể để lại khoảng trống giữa các quá mức để dòng điện tần số cao đi qua một cách trơn tru. Việc đặt các lỗ thông qua không nên can thiệp vào dòng chảy của dòng điện tần số cao trên mặt phẳng mặt đất, và các nhà thiết kế cũng nên nhận ra rằng các hình dạng khác nhau của tấm hàn sẽ tạo ra các dòng điện cảm khác nhau. Các tụ điện bỏ qua cũng được đặt với giá trị cảm ứng nối tiếp của chúng. Tụ bỏ qua phải là tụ gốm có trở kháng thấp và ESL thấp. Tuy nhiên, nếu tụ gốm chất lượng cao được đặt sai cách trên PCB, chức năng lọc tần số cao của nó sẽ biến mất.

1.6 Nguồn DC

Nhiều nguồn cung cấp chuyển mạch có tải trọng ở cổng đầu ra cách xa nguồn điện. Để tránh nhiễu điện từ xuống đối với hệ thống dây điện đầu ra do chính nguồn điện hoặc các thiết bị điện tử xung quanh, hệ thống dây điện đầu ra phải rất gần nhau để giảm thiểu diện tích của vòng lặp dòng điện đầu ra.

1.7 Tách hình thành trên bảng hệ thống

Các bảng hệ thống của thế hệ điện tử mới sẽ có cả mạch analog, mạch kỹ thuật số và mạch nguồn chuyển mạch. Để giảm tác động của tiếng ồn nguồn chuyển đổi trên các mạch tương tự và kỹ thuật số nhạy cảm, thường cần phải tách mặt phẳng mặt đất của các mạch khác nhau. Nếu sử dụng PCB nhiều lớp, sự hình thành của các mạch khác nhau có thể được tách ra bởi các lớp PCB khác nhau. Nếu toàn bộ sản phẩm chỉ có một hình thành, cho dù đó là hình thành trên bảng mạch PCB nhiều lớp hoặc hình thành trên bảng mạch PCB một lớp, hình thành của các mạch khác nhau nên được kết nối với hình thành của nguồn chuyển mạch thông qua một điểm duy nhất. Bảy mạch khác nhau trên bảng hệ thống yêu cầu mặt đất khác nhau và mặt đất của các bảng PCB khác nhau được kết nối với mặt đất nguồn thông qua một điểm duy nhất.

2. Chuyển đổi cung cấp điện PCB bố trí ví dụ

Các nhà thiết kế có thể phân biệt giữa các thành phần trong mạch nguồn và các thành phần trong mạch tín hiệu điều khiển trên bản đồ mạch này. Vấn đề khá nghiêm trọng nếu nhà thiết kế xem tất cả các thành phần trong nguồn điện là trong mạch kỹ thuật số. Thông thường, trước tiên cần biết đường dẫn của dòng điện tần số cao của nguồn điện và phân biệt giữa mạch điều khiển tín hiệu nhỏ và cụm mạch nguồn và dấu vết của chúng. Nói chung, mạch nguồn của nguồn điện chủ yếu bao gồm tụ điện lọc đầu vào, tụ điện lọc đầu ra và cuộn cảm lọc, cũng như FET công suất lên và xuống. Mạch điều khiển chủ yếu bao gồm chip điều khiển PWM, tụ điện bỏ qua, mạch khởi động, điện trở điện áp riêng phần phản hồi và mạch bù phản hồi.

2.1 Bố trí PCB cho mạch điện

Vị trí chính xác và định tuyến các thành phần nguồn trên PCB sẽ xác định xem toàn bộ nguồn điện có hoạt động đúng hay không. Nhà thiết kế trước tiên phải có một sự hiểu biết nhất định về điện áp và dạng sóng hiện tại trên thiết bị công suất chuyển mạch. Hình dạng sóng hiện tại và điện áp của các bộ phận mạch cung cấp điện của công tắc giảm áp. Vì dòng điện từ tụ lọc đầu vào (Cin), FET đầu trên (S1) và FET đầu F (S2) là dòng điện xoay chiều với tần số cao và đỉnh cao, diện tích vòng lặp Cin-S1-S2 được hình thành nên được giảm thiểu. Trong khi đó, diện tích vòng lặp được hình thành bởi S2, L và tụ điện lọc đầu ra (Cout) cũng nên được giảm thiểu. Nếu nhà thiết kế không tạo ra PCB mạch điện dựa trên các điểm được mô tả trong cuốn sách này, thì có khả năng PCB nguồn điện được hiển thị trong Network 19 sẽ được tạo ra. Có rất nhiều lỗi trong cách bố trí PCB: khả năng lọc tần số giá trị cao của Cin về cơ bản biến mất do ESL của Cin rất lớn; Thứ hai, khu vực của vòng lặp Cin-S1-S2 và S1 LCout quá lớn, tạo ra tiếng ồn điện từ sẽ gây nhiễu lớn cho nguồn điện và mạch ngoại vi; Thứ ba, đĩa hàn L nếu quá gần, Cp sẽ quá lớn và chức năng lọc tần số cao của nó sẽ giảm; Thứ tư, dây dẫn đĩa Cout quá dài, dẫn đến FSL quá lớn và mất dây lọc tần số cao. Khu vực của vòng lặp Cin-S1-S2 và S2-L-Cout đã được kiểm soát. Điểm kết nối giữa cực nguồn của S1, cực rò của S2 và L là đĩa đồng nguyên khối. Vì điện áp tại nút này là tần số cao, S1, S2 và L cần phải rất gần nhau. Mặc dù không có dòng điện tần số cao đỉnh cao trên dấu vết giữa L và Cout, dấu vết rộng hơn có thể làm giảm tổn thất trở kháng DC và tăng hiệu quả của nguồn điện. Nếu chi phí cho phép, nguồn điện có thể được sử dụng trên PCB hai mặt với mặt phẳng mặt đất ở một bên, nhưng phải cẩn thận để tránh nguồn điện và đường tín hiệu trên mặt phẳng mặt đất. Các tụ gốm được thêm vào các cổng đầu vào và đầu ra của nguồn điện để cải thiện hiệu suất lọc tần số cao của nguồn điện.

2.2 Bố trí PCB cho mạch điều khiển nguồn

Việc bố trí bảng mạch điều khiển nguồn điện PCB cũng rất quan trọng. Bố trí không hợp lý có thể gây ra sự trôi dạt và dao động của điện áp đầu ra của nguồn. Mạch điều khiển nên được đặt ở một bên của mạch nguồn, không phải ở giữa mạch AC tần số cao. Các tụ điện bỏ qua phải càng gần Vcc và chân nối đất (GND) của chip càng tốt. Các điện trở điện áp riêng phần phản hồi cũng được đặt gần chip. Vòng lặp từ chip điều khiển đến FET cũng nên được rút ngắn càng tốt và vòng lặp mạch điều khiển từ chip điều khiển đến FET lên và xuống càng ngắn càng tốt.

2.3 Chuyển đổi cung cấp điện PCB bố trí ví dụ 1

Bộ điều khiển PWM chi phí thấp (Semtech Model SCIIO4A) được sử dụng trong nguồn điện này. Tầng dưới của bảng PCB là một mặt phẳng nối đất hoàn chỉnh. Không có sự tách biệt giữa mặt phẳng nguồn và mặt phẳng điều khiển trên PCB này. Có thể thấy rằng mạch nguồn của nguồn cung cấp điện đi qua các ổ cắm đầu vào (phía trên bên trái của bảng mạch PCB) thông qua các tụ điện bộ lọc đầu vào (C1, C2,), S1, S2, L1 và các tụ điện bộ lọc đầu ra (C10, C11, C12, C13) đến ổ cắm đầu ra (phía dưới bên phải của chất nền PCB). SC1104A được đặt ở phía dưới bên trái của bảng mạch PCB. Bởi vì dòng điện của mạch nguồn không đi qua mạch điều khiển trên mặt phẳng nối đất, nó không nhất thiết phải tách mặt phẳng nối đất của mạch điều khiển khỏi bề mặt nối đất của mạch nguồn. Nếu ổ cắm đầu vào được đặt ở đầu dưới bên trái của bảng mạch PCB, dòng điện mạch nguồn sẽ đi trực tiếp qua mạch điều khiển trên mặt phẳng mặt đất và cần phải tách cả hai.

2.4 Chuyển đổi cung cấp điện PCB bố trí ví dụ 2

Một nguồn cung cấp chuyển mạch điện áp xuống khác có thể chuyển đổi điện áp đầu vào của 12V thành điện áp đầu ra của 3.3V và dòng điện đầu ra có thể lên đến 3A. Nguồn điện này sử dụng bộ điều khiển nguồn tích hợp (Semtech Model SC4519). Bộ điều khiển này tích hợp một ống công suất trong chip điều khiển công suất. Nguồn điện này rất đơn giản và đặc biệt phù hợp với các thiết bị điện tử tiêu dùng như đầu DVD di động, ADSL và hộp set-top. Như trong các ví dụ trước, có một số điểm cần lưu ý trong cách bố trí PCB cho nguồn chuyển mạch đơn giản này.

1) Khu vực vòng lặp được bao quanh bởi tụ lọc đầu vào (C3), chân nối đất (GND) của SC4519 và D2 phải nhỏ. Điều này có nghĩa là C3 và D2 phải rất gần với SC4519.

2) Có thể sử dụng mạch điện riêng biệt để nối đất mặt phẳng và điều khiển mạch mặt đất bề mặt. Các thành phần được kết nối với hệ thống điện bao gồm ổ cắm đầu vào (VIN), ổ cắm đầu ra (VOUT), tụ lọc đầu vào (C3) và tụ lọc đầu ra C2, D2, SC4519. Các thành phần được kết nối với vùng điều khiển bao gồm điện trở điện áp riêng phần đầu ra (R1, R2), mạch bù phản hồi (R3, C4, C3), ổ cắm cho phép (EN) và ổ cắm đồng bộ (SYNC).

3) Thêm một lỗ gần chân nối đất của SC4519 để kết nối sự hình thành của mạch nguồn với điểm duy nhất của mạch tín hiệu điều khiển. Sơ đồ bố trí của các lớp trên của bảng mạch điện PCB. Để dễ hiểu hơn cho người đọc, mặt phẳng tiếp đất nguồn và mặt phẳng tiếp đất tín hiệu điều khiển được thể hiện bằng các màu khác nhau. Ở đây, ổ cắm đầu vào nằm trên cùng của PCB và ổ cắm đầu ra nằm dưới cùng của PCB. Bộ lọc cuộn cảm (L1) được đặt ở phía bên trái của bảng mạch PCB và gần mặt đất của nguồn điện, trong khi các mạch bù phản hồi nhạy cảm hơn với tiếng ồn (R3, C4, C5) được đặt ở phía bên phải của bảng mạch và gần mặt đất của tín hiệu điều khiển. D2 rất gần với chân 3 và 4 của SC4519. Sơ đồ bố trí cho lớp dưới của bảng mạch PCB cung cấp điện.