- Richtlinien für Eingabe- und zugehörige Filter
- Richtlinien für Treiberschaltung und Steuerschaltung
- Richtlinien zum Schalten von Induktivitäten und Transformatoren
- Richtlinien für den Bereich Ausgangsbrücke und Filter
- Reduzieren der Bodenprellung für SMPS-Leiterplattenlayouts
- Befolgen Sie die IPC-Standards
- Kelvin-Verbindung für Sense Line
Schaltnetzteil ist eine weit verbreitete Netzteil-Topologie in der Leistungselektronik. Unabhängig davon, ob es sich um eine komplizierte CNC-Maschine oder ein kompaktes elektronisches Gerät handelt, ist eine SMPS-Schaltung immer obligatorisch, solange das Gerät an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Ein unsachgemäßes oder fehlerhaftes Netzteil kann zu einem großen Ausfall des Produkts führen, unabhängig davon, wie gut die Schaltung ausgelegt und funktionsfähig ist. Wir haben bereits einige SMPS-Stromversorgungsschaltungen wie die 12V 1A SMPS und die 5V 2A SMPS mit dem Power Integration- bzw. dem Viper-Controller-IC entwickelt.
Jedes Schaltnetzteil verwendet einen Schalter wie einen MOSFET oder einen Leistungstransistor, der je nach Spezifikation des Schalttreibers ständig ein- oder ausgeschaltet wird. Die Schaltfrequenz dieses EIN- und AUS-Zustands reicht von einigen hundert Kilohertz bis Megahertz. In einem solchen Hochfrequenz-Schaltmodul sind die PCB-Designtaktiken weitaus wichtiger und werden vom Konstrukteur manchmal übersehen. Zum Beispiel könnte ein schlechtes PCB-Design zum Ausfall der gesamten Schaltung führen, und eine gut entworfene PCB könnte viele unangenehme Ereignisse lösen.
Als allgemeine Faustregel enthält dieses Lernprogramm einige detaillierte Aspekte wichtiger Richtlinien für das Layout von Leiterplatten, die für jede Art von PCB-Design auf der Basis von Schaltnetzteilen unerlässlich sind. Sie können sich auch die Entwurfstechniken für die EMI-Reduzierung in SMPS-Schaltkreisen ansehen.
Als erstes muss für den Entwurf eines Schaltnetzteils eine klare Angabe der Schaltungsanforderungen und -spezifikationen vorliegen. Das Netzteil besteht aus vier wichtigen Teilen.
- Eingangs- und Ausgangsfilter.
- Treiberschaltung und zugehörige Komponenten für den Treiber, insbesondere Steuerschaltung.
- Schaltinduktoren oder Transformatoren
- Ausgangsbrücke und die zugehörigen Filter.
Bei einem PCB-Design müssen alle Segmente in PCB getrennt werden und erfordern besondere Aufmerksamkeit. Wir werden jedes Segment in diesem Artikel ausführlich besprechen.
Richtlinien für Eingabe- und zugehörige Filter
Der Eingangs- und der Filterabschnitt sind der Ort, an dem die verrauschten oder ungeregelten Versorgungsleitungen an die Schaltung angeschlossen werden. Daher müssen die Eingangsfilterkondensatoren in einem gleichmäßigen Abstand vom Eingangsanschluss und der Treiberschaltung angeordnet sein. Es ist wichtig, immer eine kurze Verbindungslänge zu verwenden, um den Eingangsbereich mit der Treiberschaltung zu verbinden.
Die hervorgehobenen Abschnitte im obigen Bild repräsentieren die enge Platzierung der Filterkondensatoren.
Richtlinien für Treiberschaltung und Steuerschaltung
Der Treiber besteht hauptsächlich aus einem internen MOSFET oder manchmal ist der Schalt-MOSFET extern angeschlossen. Die Schaltleitung wird immer mit sehr hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet und erzeugt eine sehr verrauschte Versorgungsleitung. Dieser Teil muss immer von allen anderen Verbindungen getrennt sein.
Beispielsweise sollte die Hochspannungs-Gleichstromleitung, die direkt zum Transformator führt (für Flyback-SMPS), oder die Gleichstromleitung, die direkt zum Leistungsinduktor führt (auf Buck- oder Boost-Topologie basierende Schaltregler), getrennt werden.
Im folgenden Bild ist das hervorgehobene Signal die Hochspannungs-Gleichstromleitung. Das Signal wird so geroutet, dass es von anderen Signalen getrennt ist.
Eine der lautesten Leitungen in einem Schaltnetzteil-Design ist der Drain-Pin des Treibers, unabhängig davon, ob es sich um ein AC / DC-Flyback-Design handelt oder um ein auf der Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Topologie basierendes Schaltnetzteil mit geringem Stromverbrauch Design. Es muss immer von allen anderen Verbindungen getrennt und sehr kurz sein, da diese Art von Routings im Allgemeinen sehr hochfrequente Signale überträgt. Der beste Weg, um diese Signalleitung von anderen zu isolieren, ist die Verwendung eines PCB-Ausschnitts durch Fräsen oder Maßschichten.
In der folgenden Abbildung ist eine isolierte Drain-Pin-Verbindung dargestellt, die einen sicheren Abstand zum Optokoppler sowie zum Leiterplattenausschnitt aufweist, um Störungen durch andere Routings oder Signale zu beseitigen.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass eine Treiberschaltung fast immer eine Rückkopplung oder eine erfasste Leitung (manchmal mehr als eine, wie z. B. eine Eingangsspannungserfassungsleitung, eine Ausgangserfassungsleitung) aufweist, die sehr empfindlich ist und der Treiberbetrieb vollständig von der Erfassung der Rückkopplung abhängt. Jede Art von Rückkopplung oder Erfassungsleitung sollte kürzer sein, um eine Rauschkopplung zu vermeiden. Diese Leitungsarten müssen immer von der Stromversorgung, der Umschaltung oder anderen verrauschten Leitungen getrennt werden.
Das folgende Bild zeigt eine separate Rückkopplungsleitung vom Optokoppler zum Treiber.
Nicht nur das, sondern eine Treiberschaltung kann auch mehrere Arten von Komponenten aufweisen, wie Kondensatoren und RC-Filter, die zur Steuerung der Treiberschaltungsvorgänge erforderlich sind. Diese Komponenten müssen eng am Treiber angebracht werden.
Richtlinien zum Schalten von Induktivitäten und Transformatoren
Der Schaltinduktor ist nach sperrigen Kondensatoren die größte verfügbare Komponente in jeder Stromversorgungsplatine. Ein schlechtes Design besteht darin, jede Art von Verbindung zwischen den Induktionsleitungen zu verlegen. Es ist wichtig, keine Signale zwischen den Leistungen oder Filterinduktivitätspads zu leiten.
Wenn Transformatoren in einem Netzteil verwendet werden, insbesondere in AC-DC-SMPS, besteht die Hauptverwendung dieses Transformators darin, den Eingang vom Ausgang zu trennen. Ein ausreichender Abstand zwischen primären und sekundären Pads ist erforderlich. Ein bester Weg, um das Kriechen zu erhöhen, ist das Aufbringen eines PCB-Cutoffs unter Verwendung einer Frässchicht. Verwenden Sie niemals eine Verlegung zwischen den Transformatorleitungen.
Richtlinien für den Bereich Ausgangsbrücke und Filter
Die Ausgangsbrücke ist eine Hochstrom-Schottky-Diode, die abhängig vom Laststrom Wärme abführt. In einigen Fällen sind PCB-Kühlkörper erforderlich, die mithilfe der Kupferebene in der PCB selbst erstellt werden müssen. Der Kühlkörperwirkungsgrad ist proportional zur Kupferfläche und -dicke der Leiterplatte.
Es gibt zwei Arten von Kupferdicken, die üblicherweise in Leiterplatten erhältlich sind: 35 Mikrometer und 70 Mikrometer. Je höher die Dicke ist, desto besser wird die thermische Konnektivität und der PCB-Kühlkörperbereich. Wenn die Leiterplatte eine Doppelschicht ist und der beheizte Raum in einer Leiterplatte etwas nicht verfügbar ist, kann man beide Seiten der Kupferebene verwenden und diese beiden Seiten mit gemeinsamen Durchkontaktierungen verbinden.
Das folgende Bild ist ein Beispiel für einen PCB-Kühlkörper einer Schottky-Diode, die in der unteren Schicht erzeugt wird.
Der Filterkondensator direkt nach der Schottky-Diode muss sehr eng über dem Transformator oder der Schaltinduktivität platziert werden, so dass die Versorgungsschleife durch Induktor, Brückendiode und Kondensator sehr kurz wird. Auf diese Weise kann die Ausgangswelligkeit verringert werden.
Das obige Bild ist ein Beispiel für eine kurze Schleife vom Transformatorausgang zur Brückendiode und zum Filterkondensator.
Reduzieren der Bodenprellung für SMPS-Leiterplattenlayouts
Erstens ist die Erdfüllung von wesentlicher Bedeutung, und die Trennung verschiedener Erdungsebenen in einem Stromversorgungskreis ist eine weitere wichtige Sache.
Aus Sicht der Schaltkreise kann ein Schaltnetzteil für alle Komponenten eine einzige gemeinsame Masse haben, dies ist jedoch während der PCB-Entwurfsphase nicht der Fall. Gemäß der PCB-Designperspektive ist der Boden in zwei Teile unterteilt. Der erste Teil ist Strommasse und der zweite Teil ist Analog- oder Steuermasse. Diese beiden Gründe haben die gleiche Verbindung, aber es gibt einen großen Unterschied. Analoge oder Steuermasse wird von den Komponenten verwendet, die der Treiberschaltung zugeordnet sind. Diese Komponenten verwenden eine Erdungsebene, die einen Rücklaufpfad mit niedrigem Strom erzeugt, während die Leistungsmasse den Rückweg mit hohem Strom führt. Leistungskomponenten sind verrauscht und können zu unsicheren Problemen mit dem Erdungssprung in Steuerschaltungen führen, wenn sie direkt an dieselbe Masse angeschlossen werden. Das folgende Bild zeigt, wie die Analog- und Steuerschaltung in einer einschichtigen Leiterplatte vollständig von anderen Stromleitungen der Leiterplatte isoliert ist.
Diese beiden Teile müssen getrennt werden und sollten in einer bestimmten Region verbunden werden.
Dies ist einfach, wenn die Leiterplatte eine Doppelschicht ist, da die oberste Schicht als Steuermasse verwendet werden kann und alle Steuerschaltungen in der gemeinsamen Erdungsebene in der obersten Schicht angeschlossen werden sollten. Andererseits kann die untere Schicht als Strommasse verwendet werden, und alle verrauschten Komponenten sollten diese Erdungsebene verwenden. Diese beiden Gründe sind jedoch dieselbe Verbindung und im Schaltplan verbunden. Zum Verbinden der oberen und unteren Schicht können jetzt Durchkontaktierungen verwendet werden, um beide Masseebenen an einem einzigen Ort zu verbinden. Siehe zum Beispiel das folgende Bild -
Der obige Teil des Treibers hat alle leistungsfilterbezogenen Kondensatoren, die eine Masseebene verwenden, die separat als Leistungs-GND bezeichnet wird, aber der untere Teil des Treiber-IC sind alle steuerungsbezogenen Komponenten, die eine separate Steuerungs-GND verwenden. Beide Gründe sind die gleiche Verbindung, aber getrennt erstellt. Beide GND-Verbindungen wurden dann über den Treiber-IC verbunden.
Befolgen Sie die IPC-Standards
Befolgen Sie die Richtlinien und Regeln für Leiterplatten gemäß dem IPC-Leiterplatten-Designstandard. Dies minimiert immer die Fehlerwahrscheinlichkeit, wenn der Konstrukteur den in IPC2152 und IPC-2221B beschriebenen PCB-Designstandard befolgt. Denken Sie hauptsächlich daran, dass die Breite der Leiterbahnen die Temperatur und die Strombelastbarkeit direkt beeinflusst. Daher kann die falsche Breite der Leiterbahnen zu einem Temperaturanstieg und einem schlechten Stromfluss führen.
Der Abstand zwischen zwei Spuren ist auch wichtig, um unsicheres Versagen oder Übersprechen zu vermeiden, manchmal Kreuzfeuer bei Hochstrom-Hochspannungsanwendungen. IPC-9592B beschreibt den empfohlenen Abstand zwischen den Stromleitungen im Netzteil-basierten PCB-Design.
Kelvin-Verbindung für Sense Line
Die Kelvin-Verbindung ist aufgrund der Genauigkeit der Messung, die die Fähigkeit des Steuerkreises beeinflusst, ein weiterer wichtiger Parameter im Design der Stromversorgungsplatine. Eine Stromversorgungssteuerschaltung erfordert immer irgendeine Art von Messungen, sei es Stromerfassung oder Spannungserfassung in der Rückkopplungs- oder Erfassungsleitung. Diese Erfassung sollte von den Komponentenleitungen so erfolgen, dass andere Signale oder Spuren die Erfassungslinie nicht stören. Die Kelvin-Verbindung hilft dabei, dasselbe zu erreichen. Wenn die Erfassungslinie ein Differentialpaar ist, muss die Länge für beide Spuren gleich sein und die Spur sollte über die Komponentenleitungen verbunden sein.
Zum Beispiel wird die Kelvin-Verbindung in den PCB-Konstruktionsrichtlinien von Leistungsreglern von Texas Instruments ordnungsgemäß beschrieben.
Das obige Bild zeigt die ordnungsgemäße Stromerfassung über eine Kelvin-Verbindung. Die richtige Verbindung ist die richtige Kelvin-Verbindung, die für das Design von Sense-Linien unerlässlich ist. Das PCB-Layout ist in diesem Dokument ebenfalls korrekt angegeben.
Das PCB-Layout zeigt eine enge Verbindung zwischen dem Keramikkondensator 10nF und 1nF über den Treiber- oder Controller-IC. Die Sense-Linie spiegelt auch die richtige Kelvin-Verbindung wider. Die innere Leistungsschicht ist eine getrennte Quellleitung, die mit denselben, aber getrennten Quellleitungen verbunden ist, wobei mehrere Durchkontaktierungen verwendet werden, um die Rauschkopplung zu verringern.