Napájecí zdroje hrají zásadní roli v systémových aplikacích. Kvalitní design napájecí desky s plošnými spoji může optimalizovat energetickou účinnost, usnadnit tlak rozptylu tepla a snížit emise hluku pro zvýšení přesnosti a stability venkovního napájení. V současné době mnoho aplikací produktů, jako je průmysl, automobilový průmysl, komunikace a spotřebitelé, vyžaduje miniaturizovaná řešení; v důsledku toho se odpovídajícím způsobem zvýšily také požadavky na miniaturizaci. Tento článek prozkoumá podrobnosti o rozložení PCB napájecích zdrojů.
Základní principy uspořádání PCB napájecích zdrojů.
Lokalizace napájecího zdroje
Při zvažování PCB zdrojů v rané fázi rozvržení systému je v první řadě nutné vzít v úvahu jejich umístění. Klíčovým principem je jejich umístění v blízkosti jejich zátěže, aby se předešlo příliš dlouhé délce tras PCB a vytváření příliš velkého rozdílu napětí mezi skutečným napětím zátěže a nastaveným výstupním napětím nastaveným napájecími zdroji, což má za následek nepřesné měření napětí, pomalejší dynamickou odezvu zátěže a sníženou účinnost. Dále musí být poskytnut odhad oblasti napájení; v opačném případě nelze u těchto napájecích zdrojů dodržet mnoho směrnic pro uspořádání desek plošných spojů a nelze zaručit pracovní výkon.
Současně, pokud je systém vybaven ventilátorem pro odvod tepla, umístění jeho napájecího zdroje blízko jeho výstupu vzduchu pomůže efektivněji odvádět teplo a zároveň zvýšit energetickou účinnost. Aby bylo zajištěno efektivní chlazení ventilátoru, musí být pečlivě zvážena i jeho dráha odvodu tepla, aby se zabránilo blokování vysokých pasivních součástí (tlumivky a elektrolytické kondenzátory) v tom, aby bránily krátkým aktivním součástkám, jako jsou MOS elektronky a PWM regulátory, účinně odvádět teplo.
Proces návrhu vícevrstvých desek plošných spojů
Jako součást návrhu vícevrstvých desek plošných spojů se často doporučuje přidat zemní nebo stejnosměrnou napěťovou vrstvu jako stínící vrstvu mezi vrstvy s vysokým proudem (jako je vstupní napětí nebo výstupní napětí) a citlivé vrstvy malého signálu. Zemní vrstva nebo vrstva stejnosměrného napětí může účinně izolovat citlivé malé signály a výkonové smyčky, aby se zabránilo interferenci s malými signály. Při navrhování rozložení zemní vrstvy nebo vrstvy stejnosměrného napětí je prioritou minimalizace kabeláže, aby byla zajištěna nepřerušená vrstva, pokud je to možné.
V případě potřeby zajistěte, aby vedení vedla stejným směrem jako silnoproudé vedení výkonových vrstev, aby se minimalizovalo rušení malých signálů. Pokud musí být navíc zapojeno vedení, postupujte podobně jako vysokoproudé vedení výkonových vrstev, aby se snížilo rušení mezi nimi oběma. Například:
Možnost 1(neefektivní design)
6vrstvá PCB
Vrstva 1: Napájecí zařízení
Vrstva 2: Malý signál
Úroveň 3: Přízemní úroveň
Vrstva 4: Stejnosměrné napětí nebo vrstva podlahy
Vrstva 5: Malý signál
Vrstva 6: Napájecí zařízení nebo ovladač
4vrstvá PCB
Vrstva 1: Napájecí zařízení
Vrstva 2: Malý signál
Úroveň 3: Přízemní úroveň
Vrstva 4: Malý signál nebo ovladač
Možnost 2(efektivní design)
6vrstvá PCB
Vrstva 1: Napájecí zařízení
Úroveň 2: Přízemní úroveň
Vrstva 3: Malý signál
Vrstva 4: Stejnosměrné napětí nebo vrstva podlahy
Vrstva 5: Malý signál
Vrstva 6: Napájecí zařízení nebo ovladač
4vrstvá PCB
Vrstva 1: Napájecí zařízení
Úroveň 2: Přízemní úroveň
Vrstva 3: Malý signál
Vrstva 4: Malý signál nebo ovladač
Volitelné 1 je neúčinné provedení, kde je vrstva malého signálu zachycena mezi zemní a vysokoproudovou vrstvou, čímž se zvyšuje kapacitní vazba mezi ní a vysokoproudými vrstvami a následně je pravděpodobnější interference mezi malými signály, které lze snadno interferovat s vysokoproudými vrstvami.
Rozložení napájecího zařízení
Obvod spínaného zdroje se skládá ze dvou smyček – napájecí smyčky a malé signálové řídící smyčky. V napájecí smyčce jsou zařízení, která přenášejí velké proudy, jako jsou tlumivky, kondenzátory a tranzistory MOS – tato zařízení musí být před začátkem rozmístěna. Mezitím malá řídicí smyčka signálu obsahuje zpětnovazební odpory, kompenzační sítě, nastavení frekvence a nastavení nadproudu, které jsou obvykle umístěny na konkrétních místech na výkonovém čipu.
Výpočet šířky elektrického vedení
Kvůli velikosti proudu protékajícího elektrickým vedením budou mít zúžená vedení za následek zvýšené ztráty a teploty DPS.
Ideální pro výpočty šířky vedení mezi 1A až 20A s proudy, kde W je šířka vedení měřená v mil; I je proud měřený v ampérech; Tcu je hmotnost mědi v OZ měděného materiálu PCB o hmotnosti v OZ.
Za předpokladu proudu 5A a hmotnosti mědi 1Oz jako příkladu by minimální požadovaná šířka vedení byla 120 mil.
Zde je empirický vzorec pro šířku čáry:
Rozložení smyčky s vysokou rychlostí změny proudu
Všechny součástky, jako jsou stopy PCB, obsahují parazitní indukčnost, kapacitu a odpor, které budou kolísat se změnami proudu. Náhlá změna proudu může mít za následek napěťové špičky na parazitní indukčnosti, které překračují požadavky na výdržné napětí a šíří rušení směrem ven, což dále snižuje šance na úspěšné provedení testu EMI.
Obrázek 1 je znázorněna základní struktura Buckova obvodu.
Obrázek 1 znázorňuje základní strukturu Buckova obvodu. Za prvé, zelené čáry označují, kudy teče proud, když je horní trubice zapnutá; červené čáry představují aktuální cesty, když je vypnutý; smyčky s vysokou rychlostí změny proudu mají pouze jednu barvu pro označení jejich části v obvodu – tato metoda platí pro všechny topologie obvodu.
Obrázek 2. Buck obvod pro smyčku s vysokou rychlostí změny proudu
Obrázek 2 znázorňuje smyčku vysoké rychlosti změny proudu Buckova obvodu, přičemž modrá představuje smyčku vysoké rychlosti změny proudu. Je nutné zajistit, aby jeho zem a rovina byly odděleny; jeho oddělovací kondenzátory se typicky pohybují v hodnotách mezi 0.1uF až 10uF; jsou to keramické kondenzátory typu X5R nebo X7R s malou parazitní indukčností a odporovými charakteristikami, které poskytují dobrou dráhu toku proudu při vysokých rychlostech změny proudu.
Obrázek 3 Obrys posilovacího obvodu
Obrázek 4. Boost obvod pro smyčku s velkou rychlostí změny proudu
Stejně jako jeho protějšek může být Boost obvod analyzován a navržen pomocí stejné metody jako u Buckových obvodů (obrázky 3 a 4 znázorňují základní obvodovou strukturu Boost obvodu a smyčky s velkou rychlostí změny proudu).
HRozložení uzlu změny rychlosti vysokého napětí
Spínací zdroje mají uzly mezi spínacími elektronkovými MOS a volnoběžnými diodami (nebo MOS elektronkovými usměrňovači), které rychle přepínají mezi zemním napětím a vysokým napětím a jejich rychlost změny napětí je rychlá; jejich uzlové napětí, známé jako „vyzváněcí napětí“, je zdrojem většiny elektromagnetického rušení (EMI).
Aby se minimalizovalo spojení s malými signálovými vedeními citlivými na šum, musí být oblast kolem uzlů přepínače minimalizována, ale mějte na paměti, že tento uzel nemůže být příliš malý!
Obrázek 5. Schéma zátěže SCT2360 12V vstup 5V výstup 6A schéma
Takže ve vícevrstvých deskách je výhodné zahrnout zemní plochu na další vrstvu z uzlu přepínače pro lepší izolaci a snížení šíření hluku.
SCT2360 slouží jako příklad, ve kterém jsou L1 a SW umístěny relativně blízko; odvod tepla přes měděné uzly by měl být maximalizován, aby se snížila schopnost šíření hluku. Eashub vzal tento problém v úvahu při návrhu svého čipu, aby minimalizoval smyčkové spoje mezi BST a SW (tj. na sousedních pinech).
Obrázek 6 Rozložení SCT2360
Rozložení vysokofrekvenčního filtračního kondenzátoru.
Vysokofrekvenční filtrační kondenzátory jsou nezbytnou součástí každého elektronického systému, slouží k ochraně před velkými smyčkami rychlosti změny proudu a ke snížení napěťového namáhání. Například na SCT2360 je kondenzátor C3 umístěn nejblíže k VIN PIN a PGND PIN čipu prostřednictvím krátkého, ale tlustého spojovacího vedení.
Tabulka 2 uvádí příklad uspořádání vysokofrekvenčního filtračního kondenzátoru (bez prokovů).
Tabulka 3 Níže je uveden příklad uspořádání vysokofrekvenčního filtračního kondenzátoru (s prokovy).
Více rozložení napájení
Pokud více napájecích zdrojů sdílejících vstupní zdroj v rámci systému nepracuje vzájemně synchronně, jejich trasy vstupního napájecího zdroje musí být odděleny, aby se zabránilo šíření šumu v běžném režimu mezi těmito zdroji na vstup i zem a vzájemnému rušení. .
Tabulka 4 Uvádí příklady konfigurace vícenásobného napájení.
Proč investovat do čističky vzduchu?:
Odhaduje se, že 80 % problémů s návrhem desek plošných spojů napájecího zdroje pochází z uspořádání plošných spojů. Včasné věnování dostatečného času rozvržení PCB může výrazně zkrátit pozdější dobu ladění a zkrátit vývojové cykly. Produkty řady SCT23xx nabízející optimalizaci pinů PIN čipu mohou zákazníkům pomoci dosáhnout optimálního rozvržení desky plošných spojů pro nejlepší výkon napájení.
Eashub se snaží poskytovat vynikající detaily napájecích čipů a pokračuje ve vytváření vysoce kvalitních produktů s napájecími čipy, aby zákazníkům poskytovala optimální řešení.
