Garis panduan reka bentuk susun atur PCB untuk litar bekalan kuasa mod suis

Switching power supply adalah topologi bekalan kuasa yang banyak digunakan dalam elektronik kuasa. Sama ada mesin CNC yang rumit atau peranti elektronik padat, selagi peranti itu disambungkan ke beberapa jenis bekalan kuasa, litar SMPS selalu wajib. Unit bekalan kuasa yang tidak betul atau rosak boleh menyebabkan kegagalan besar produk tanpa mengira seberapa baik rangkaian dan reka bentuk berfungsi dengan baik. Kami telah merancang beberapa rangkaian Power Supply SMPS seperti SMPS 12V 1A dan SMPS 5V 2A masing-masing menggunakan IC Integrasi Daya dan pengawal Viper.

Setiap bekalan kuasa Switching menggunakan suis seperti MOSFET atau transistor kuasa yang sentiasa dihidupkan atau dimatikan bergantung pada spesifikasi pemacu beralih. Kekerapan menukar keadaan ON dan OFF ini berkisar dari beberapa ratus kilohertz hingga julat megahertz. Dalam modul pensuisan frekuensi tinggi seperti itu, taktik reka bentuk PCB jauh lebih mustahak dan kadangkala tidak dihiraukan oleh pereka. Sebagai contoh, reka bentuk PCB yang buruk boleh menyebabkan kegagalan keseluruhan litar dan juga PCB yang dirancang dengan baik dapat menyelesaikan banyak kejadian yang tidak menyenangkan.

Sebagai peraturan umum, tutorial ini akan memberikan beberapa aspek terperinci mengenai panduan susun atur reka bentuk PCB penting yang penting untuk apa-apa jenis reka bentuk PCB berasaskan bekalan kuasa mod suis. Anda juga boleh melihat Teknik Reka Bentuk untuk Pengurangan EMI di Litar SMPS.

Perkara pertama yang pertama, untuk merancang bekalan kuasa mod suis, seseorang perlu mempunyai petunjuk yang jelas mengenai keperluan dan spesifikasi litar. Bekalan kuasa mempunyai empat bahagian penting.

Penapis input dan output.
Litar pemandu dan komponen yang berkaitan untuk pemandu terutamanya litar kawalan.
Menukar induktor atau Transformer
Jambatan Keluaran dan penapis yang berkaitan.

Dalam reka bentuk PCB, semua segmen ini perlu dipisahkan dalam PCB dan memerlukan perhatian khusus. Kami akan membincangkan setiap segmen secara terperinci dalam artikel ini.

Garis panduan untuk penapis Input dan Berkaitan

Bahagian input dan penapis adalah di mana saluran bekalan yang bising atau tidak terkawal disambungkan ke litar. Oleh itu, kapasitor penapis input perlu diletakkan pada jarak yang sama dari penyambung input dan litar pemacu. Penting untuk selalu menggunakan sambungan yang pendek untuk menyambungkan bahagian Input dengan litar pemacu.

Bahagian yang diserlahkan pada gambar di atas mewakili penempatan rapat kapasitor penapis.

Petunjuk untuk Litar Pemandu dan Litar Kawalan

Pemacu terutamanya terdiri daripada MOSFET dalaman atau kadang-kadang MOSFET beralih disambungkan secara luaran. Garis pensuisan selalu dihidupkan dan dimatikan dalam frekuensi yang sangat tinggi dan mewujudkan saluran bekalan yang sangat bising. Bahagian ini mesti selalu terpisah dari semua sambungan lain.

Sebagai contoh, garis DC voltan tinggi yang secara langsung menuju ke pengubah (Untuk flyback SMPS) atau garis DC yang secara langsung menuju ke induktor kuasa (pengatur suis berasaskan topologi Buck atau Boost) harus dipisahkan.

Pada gambar di bawah, isyarat yang diserlahkan adalah garis DC voltan tinggi. Isyarat diarahkan sedemikian rupa sehingga dipisahkan dari isyarat lain.

Salah satu garis yang paling ribut dalam reka bentuk bekalan kuasa mod suis adalah pin pengalir pemandu, sama ada reka bentuk flyback AC ke DC atau ia boleh menjadi bekalan kuasa beralih rendah berdasarkan topologi buck, boost atau buck-boost reka bentuk. Selalu perlu dipisahkan dari semua sambungan lain dan juga harus sangat pendek kerana jenis perutean ini biasanya membawa isyarat frekuensi tinggi. Cara terbaik untuk mengasingkan garis isyarat ini dari yang lain adalah dengan menggunakan potongan PCB dengan menggunakan lapisan penggilingan atau dimensi.

Pada gambar di bawah, sambungan pin Saliran terpencil ditunjukkan yang mempunyai jarak selamat dari opto-coupler serta pemotongan PCB akan menghilangkan gangguan dari perutean atau isyarat lain.

Satu lagi perkara penting ialah, litar pemandu hampir selalu mempunyai maklum balas atau garis penderiaan (beberapa kali lebih daripada satu seperti garis pengesan voltan input, garis deria output) yang sangat sensitif dan operasi pemandu bergantung sepenuhnya dengan merasakan maklum balas. Segala jenis maklum balas atau garis pengertian harus lebih pendek untuk mengelakkan penggabungan bunyi. Garis jenis ini selalu perlu dipisahkan dari talian Kuasa, beralih atau sebarang bising yang lain.

Gambar di bawah menunjukkan garis Maklum Balas yang terpisah dari optocoupler ke pemacu.

Bukan hanya ini, tetapi litar pemandu juga boleh mempunyai pelbagai jenis komponen seperti kapasitor, penapis RC yang diperlukan untuk mengawal operasi litar pemandu. Komponen-komponen tersebut perlu diletakkan rapat pada pemacu.

Garis Panduan untuk Menukar Induktor dan Transformer

Switching Inductor adalah komponen terbesar yang terdapat di mana-mana papan bekalan kuasa selepas kapasitor besar. Salah satu reka bentuk yang tidak baik adalah mengarahkan semua jenis hubungan antara petunjuk Induktor. Ia adalah penting untuk tidak laluan apa-apa isyarat antara kuasa-kuasa atau pad penapis induktor.

Juga, Setiap kali Transformer digunakan dalam bekalan kuasa, terutama di AC-DC SMPS, penggunaan utama transformer ini adalah untuk mengasingkan input dengan output. Diperlukan jarak yang cukup antara pad primer dan sekunder. Salah satu kaedah terbaik untuk meningkatkan halaman adalah dengan menggunakan PCB cutoff menggunakan lapisan penggilingan. Jangan sekali-kali menggunakan apa-apa jenis penghalaan antara petunjuk pengubah.

Garis Panduan untuk Bahagian Jambatan dan Penapis Hasil

Jambatan output adalah dioda Schottky arus tinggi yang menghilangkan haba bergantung pada arus beban. Dalam beberapa kes, pendingin PCB diperlukan yang perlu dibuat di PCB itu sendiri dengan menggunakan satah tembaga. Kecekapan heat sink berkadar dengan kawasan dan ketebalan tembaga PCB.

Terdapat dua jenis ketebalan tembaga yang biasa terdapat dalam PCB, 35 mikron dan 70 mikron. Semakin tinggi ketebalannya, semakin baik penyambungan terma dan kawasan pendingin PCB semakin pendek. Sekiranya PCB adalah lapisan dua dan ruang yang dipanaskan agak tidak tersedia dalam PCB, seseorang boleh menggunakan kedua-dua sisi satah tembaga dan boleh menghubungkan kedua-dua sisi menggunakan titik biasa.

Gambar di bawah adalah contoh heatsink PCB dioda Schottky yang dibuat di lapisan bawah.

Kapasitor penapis tepat selepas dioda Schottky perlu diletakkan sangat dekat di atas pengubah atau induktor pensuisan sedemikian rupa sehingga gelung bekalan melalui Induktor, diod Bridge dan kapasitor menjadi sangat pendek. Dengan cara sedemikian, riak output dapat dikurangkan.

Gambar di atas adalah contoh gelung pendek dari output pengubah ke dioda jambatan dan kapasitor penapis.

Mengurangkan pantulan Tanah untuk Susun atur PCB SMPS

Pertama, pengisian tanah adalah penting dan memisahkan satah tanah yang berlainan dalam litar bekalan kuasa adalah perkara lain yang paling penting.

Dari perspektif litar, bekalan kuasa pensuisan dapat memiliki satu titik persamaan untuk semua komponen tetapi tidak berlaku semasa fasa reka bentuk PCB. Sesuai perspektif reka bentuk PCB, tanah dipisahkan menjadi dua bahagian. Bahagian pertama adalah ground power dan bahagian kedua adalah analog atau ground control. Kedua-dua landasan ini mempunyai hubungan yang sama tetapi ada perbezaan yang besar. Arus analog atau kawalan digunakan oleh komponen yang berkaitan dengan litar pemacu. Komponen-komponen tersebut menggunakan bidang tanah yang membuat jalan kembali arus rendah, di sisi lain, tanah kuasa membawa jalan kembali arus tinggi. Komponen kuasa berisik dan boleh menyebabkan masalah pantulan tanah yang tidak menentu dalam litar kawalan sekiranya mereka disambungkan secara langsung di tanah yang sama. Gambar di bawah menunjukkan bagaimana litar analog dan kawalan benar-benar diasingkan dari talian kuasa PCB lain dalam satu lapisan PCB.

Kedua-dua bahagian ini harus dipisahkan dan harus dihubungkan di kawasan tertentu.

Ini mudah jika PCB adalah lapisan ganda, seperti lapisan atas dapat digunakan sebagai landasan kawalan dan semua litar kawalan harus disambungkan dalam bidang tanah bersama di lapisan atas. Sebaliknya, lapisan bawah boleh digunakan sebagai landasan daya dan semua komponen yang bising harus menggunakan bidang tanah ini. Tetapi kedua-dua alasan itu adalah hubungan yang sama dan dihubungkan dalam skema. Sekarang, untuk menghubungkan lapisan atas dan bawah, vias boleh digunakan untuk menghubungkan kedua-dua permukaan tanah dalam satu tempat. Contohnya, lihat gambar di bawah -

Bahagian pemacu di atas mempunyai semua kapasitor yang berkaitan dengan penapis kuasa yang menggunakan satah arde yang secara berasingan disebut Power GND, tetapi bahagian bawah IC pemandu adalah semua komponen yang berkaitan dengan kawalan, menggunakan GND kawalan yang berasingan. Kedua-dua landasan adalah sambungan yang sama tetapi dibuat secara berasingan. Kedua-dua sambungan GND kemudian bergabung di IC Pemandu.

Ikuti Piawaian IPC

Ikuti panduan dan peraturan PCB mengikut standard reka bentuk PCB IPC. Ini selalu meminimumkan kemungkinan kesalahan sekiranya pereka mengikut standard reka bentuk PCB yang dijelaskan di IPC2152 dan IPC-2221B. Terutama ingat bahawa lebar jejak secara langsung mempengaruhi suhu dan daya dukung arus. Oleh itu, lebar jejak yang salah boleh menyebabkan kenaikan suhu dan aliran arus yang buruk.

Yang jarak antara dua kesan juga penting untuk mengelakkan kegagalan yang tidak menentu atau cross-talk, kadang-kadang crossfires dalam permohonan voltan tinggi arus yang tinggi. IPC-9592B menerangkan jarak yang disyorkan antara saluran kuasa dalam reka bentuk PCB berasaskan Power Supply.

Sambungan Kelvin untuk Sense Line

Sambungan Kelvin adalah parameter penting lain dalam Reka Bentuk Papan Bekalan Kuasa, kerana ketepatan pengukuran yang mempengaruhi kemampuan rangkaian kawalan. Litar kawalan bekalan kuasa selalu memerlukan beberapa jenis pengukuran, sama ada penginderaan semasa atau penginderaan voltan dalam maklum balas atau garis pengertian. Penginderaan ini harus dilakukan dari komponen komponen sedemikian rupa sehingga isyarat atau jejak lain tidak mengganggu garis pengertian. Sambungan Kelvin membantu mencapai yang sama, jika garis pengertian adalah pasangan pembezaan, panjangnya harus sama untuk kedua-dua jejak dan jejak harus menghubungkan merentasi petunjuk komponen.

Sebagai contoh, sambungan Kelvin dijelaskan dengan betul dalam garis panduan reka bentuk PCB Pengawal kuasa oleh instrumen Texas.

Gambar di atas menunjukkan penginderaan arus yang betul menggunakan sambungan Kelvin. Sambungan yang betul adalah sambungan kelvin yang tepat yang sangat penting untuk reka bentuk garis akal. Susun atur PCB juga diberikan dengan betul dalam dokumen itu.

Susun atur PCB menunjukkan hubungan rapat antara kapasitor seramik 10nF dan 1nF merentasi IC pemacu atau pengawal. Garis Sense juga mencerminkan hubungan kelvin yang betul. Lapisan kuasa dalaman adalah garis sumber yang dipisahkan yang dihubungkan dengan garis sumber yang sama tetapi dipisahkan menggunakan beberapa titik untuk mengurangkan gandingan bunyi.