Hướng dẫn thiết kế bố trí pcb cho các mạch cung cấp điện chế độ chuyển đổi

Bộ nguồn chuyển mạch là một cấu trúc liên kết cấp nguồn được sử dụng rộng rãi trong điện tử công suất. Cho dù nó có thể là một Máy CNC phức tạp hay một thiết bị điện tử nhỏ gọn, miễn là thiết bị đó được kết nối với một số loại nguồn điện, một mạch SMPS luôn là điều bắt buộc. Bộ cấp nguồn không đúng cách hoặc bị lỗi có thể dẫn đến hỏng hóc lớn cho sản phẩm bất kể mạch được thiết kế và hoạt động tốt như thế nào. Chúng tôi đã thiết kế khá nhiều mạch Nguồn cung cấp SMPS như 12V 1A SMPS và 5V 2A SMPS sử dụng Tích hợp nguồn và IC điều khiển Viper tương ứng.

Mọi nguồn điện chuyển mạch sử dụng một công tắc như MOSFET hoặc bóng bán dẫn điện liên tục được BẬT hoặc TẮT tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của trình điều khiển chuyển mạch. Tần số chuyển đổi của trạng thái BẬT và TẮT này nằm trong khoảng từ vài trăm kilohertz đến megahertz. Trong một mô-đun chuyển mạch tần số cao như vậy , các chiến thuật thiết kế PCB cần thiết hơn nhiều và nó đôi khi bị nhà thiết kế bỏ qua. Ví dụ, một thiết kế PCB kém có thể dẫn đến hỏng toàn bộ mạch cũng như PCB được thiết kế tốt có thể giải quyết nhiều sự kiện khó chịu.

Theo nguyên tắc chung, hướng dẫn này sẽ cung cấp một số khía cạnh chi tiết của các hướng dẫn bố trí thiết kế PCB quan trọng, cần thiết cho bất kỳ loại thiết kế PCB dựa trên nguồn điện chuyển đổi chế độ nào. Bạn cũng có thể xem Kỹ thuật Thiết kế Giảm EMI trong Mạch SMPS.

Điều đầu tiên, để thiết kế nguồn điện chuyển đổi chế độ, người ta cần có chỉ dẫn rõ ràng về yêu cầu và thông số kỹ thuật của mạch. Nguồn điện có bốn phần quan trọng.

Bộ lọc đầu vào và đầu ra.
Mạch điều khiển và các thành phần liên quan cho trình điều khiển đặc biệt là mạch điều khiển.
Chuyển đổi cuộn cảm hoặc Máy biến áp
Cầu đầu ra và các bộ lọc liên quan.

Trong thiết kế PCB, tất cả các phân đoạn này cần được tách biệt trong PCB và cần được chú ý đặc biệt. Chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết từng phân đoạn trong bài viết này.

Nguyên tắc cho đầu vào và bộ lọc liên kết

Đầu vào và phần bộ lọc là nơi kết nối các đường cung cấp nhiễu hoặc không được kiểm soát vào mạch. Do đó, các tụ lọc đầu vào cần được đặt cách đầu nối đầu vào và mạch trình điều khiển một khoảng cách đều nhau. Điều cần thiết là luôn sử dụng độ dài kết nối ngắn để kết nối phần Đầu vào với mạch trình điều khiển.

Các phần được đánh dấu trong hình trên thể hiện vị trí gần nhau của các tụ lọc.

Hướng dẫn về Mạch điều khiển và Mạch điều khiển

Trình điều khiển chủ yếu bao gồm MOSFET bên trong hoặc đôi khi MOSFET chuyển mạch được kết nối bên ngoài. Dòng chuyển mạch luôn được BẬT và TẮT ở tần số rất cao và tạo ra dòng cung cấp rất ồn. Phần này luôn cần tách biệt với tất cả các kết nối khác.

Ví dụ, dòng DC điện áp cao trực tiếp đến máy biến áp (Đối với flyback SMPS) hoặc dòng DC trực tiếp đến cuộn cảm nguồn (bộ điều chỉnh chuyển mạch dựa trên cấu trúc liên kết Buck hoặc Boost) nên được tách biệt.

Trong hình ảnh dưới đây, tín hiệu được đánh dấu là dòng DC điện áp cao. Tín hiệu được định tuyến theo cách tách biệt khỏi các tín hiệu khác.

Một trong những dòng ồn ào nhất trong thiết kế bộ cấp nguồn chế độ chuyển đổi là chân cắm của trình điều khiển, cho dù đó là thiết kế quay ngược AC sang DC hoặc nó có thể là bộ nguồn chuyển đổi công suất thấp dựa trên cấu trúc liên kết buck, boost hoặc buck-boost thiết kế. Nó luôn cần được tách biệt khỏi tất cả các kết nối khác cũng như cần phải rất ngắn vì loại định tuyến này thường mang tín hiệu tần số rất cao. Cách tốt nhất để cách ly đường tín hiệu này với những đường khác là sử dụng lớp cắt PCB bằng cách sử dụng lớp phay hoặc lớp kích thước.

Trong hình ảnh dưới đây, một kết nối chân Drain bị cô lập được hiển thị có khoảng cách an toàn với Opto-coupler cũng như việc cắt PCB ra sẽ loại bỏ mọi nhiễu từ các định tuyến hoặc tín hiệu khác.

Một điểm quan trọng khác là, mạch trình điều khiển hầu như luôn có phản hồi hoặc dòng cảm biến (một số lần nhiều hơn một như dòng cảm biến điện áp đầu vào, dòng cảm biến đầu ra) rất nhạy và hoạt động của trình điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào cảm biến phản hồi. Bất kỳ loại phản hồi hoặc đường cảm nhận nào cũng nên có chiều dài ngắn hơn để tránh ghép nhiễu. Những loại đường dây này luôn cần được tách biệt khỏi Nguồn điện, chuyển mạch hoặc bất kỳ đường dây ồn ào nào khác.

Hình ảnh bên dưới hiển thị một dòng Phản hồi riêng biệt từ optocoupler đến trình điều khiển.

Không chỉ vậy, một mạch trình điều khiển cũng có thể có nhiều loại linh kiện như tụ điện, bộ lọc RC được yêu cầu để điều khiển hoạt động của mạch trình điều khiển. Những thành phần đó cần phải được đặt chặt chẽ trên trình điều khiển.

Hướng dẫn chuyển mạch cuộn cảm và máy biến áp

Switching Inductor là thành phần có sẵn lớn nhất trong bất kỳ bảng cung cấp điện nào sau các tụ điện cồng kềnh. Một thiết kế tồi là định tuyến bất kỳ loại kết nối nào giữa các dây dẫn Điện dẫn. Điều cần thiết là không định tuyến bất kỳ tín hiệu nào giữa các nguồn hoặc các tấm đệm cuộn cảm của bộ lọc.

Ngoài ra, Bất cứ khi nào Máy biến áp được sử dụng trong nguồn điện, đặc biệt là trong AC-DC SMPS, công dụng chính của máy biến áp này là cách ly đầu vào với đầu ra. Cần có khoảng cách thích hợp giữa các tấm đệm sơ cấp và thứ cấp. Một cách tốt nhất để tăng độ rão là áp dụng lớp cắt PCB bằng cách sử dụng lớp phay. Không bao giờ sử dụng bất kỳ loại định tuyến nào giữa các dây dẫn máy biến áp.

Hướng dẫn cho Cầu đầu ra và Phần bộ lọc

Cầu đầu ra là một diode Schottky dòng điện cao giúp tản nhiệt tùy thuộc vào dòng tải. Trong một số trường hợp, cần có tản nhiệt PCB cần được tạo ra trong chính PCB bằng cách sử dụng mặt phẳng đồng. Hiệu suất tản nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích và độ dày của đồng PCB.

Có hai loại độ dày đồng thường có trong PCB, 35 micron và 70 micron. Các cao độ dày là, khả năng kết nối tốt hơn nhiệt nhiệt khu vực bồn rửa và PCB được rút ngắn. Nếu PCB là một lớp kép và không gian được làm nóng phần nào không có sẵn trong PCB, người ta có thể sử dụng cả hai mặt của mặt phẳng đồng và có thể kết nối hai mặt đó bằng cách sử dụng vias chung.

Hình ảnh bên dưới là một ví dụ về tản nhiệt PCB của một diode Schottky được tạo ra ở lớp dưới cùng.

Tụ lọc ngay sau diode Schottky cần được đặt rất gần với máy biến áp hoặc cuộn cảm chuyển mạch sao cho vòng cung cấp qua Cuộn cảm, Diode cầu và tụ điện bị ngắn lại. Bằng cách đó, độ gợn đầu ra có thể được giảm bớt.

Hình ảnh trên là một ví dụ về một vòng ngắn từ đầu ra máy biến áp đến diode cầu và tụ lọc.

Giảm độ nảy mặt đất cho bố cục PCB SMPS

Thứ nhất, việc lấp đất là điều cần thiết và việc phân tách các mặt đất khác nhau trong mạch cung cấp điện là một điều quan trọng khác.

Từ quan điểm mạch điện, nguồn điện chuyển mạch có thể có một điểm chung duy nhất cho tất cả các thành phần nhưng nó không phải như vậy trong giai đoạn thiết kế PCB. Theo quan điểm thiết kế PCB, mặt đất được tách thành hai phần. Phần đầu tiên là nối đất và phần thứ hai là đất điều khiển hoặc tương tự. Hai mặt bằng này có mối liên hệ giống nhau nhưng có sự khác biệt lớn. Tương tự hoặc nối đất điều khiển được sử dụng bởi các thành phần được liên kết với mạch trình điều khiển. Các thành phần đó sử dụng một mặt đất tạo ra đường hồi dòng điện thấp, mặt khác, mặt đất nguồn mang đường trở lại dòng điện cao. Các thành phần nguồn bị nhiễu và có thể dẫn đến các vấn đề dội đất không chắc chắn trong mạch điều khiển nếu chúng được kết nối trực tiếp trong cùng một mặt đất. Hình ảnh dưới đây cho thấy cách mạch tương tự và mạch điều khiển được cách ly hoàn toàn với các đường dây điện khác của PCB trong PCB một lớp.

Hai phần này cần được tách biệt và phải được kết nối trong một vùng cụ thể.

Điều này rất dễ dàng nếu PCB là một lớp kép, giống như lớp trên cùng có thể được sử dụng làm nền điều khiển và tất cả các mạch điều khiển nên được kết nối trong mặt phẳng chung ở lớp trên cùng. Mặt khác, lớp dưới cùng có thể được sử dụng như một mặt đất nguồn và tất cả các thành phần ồn ào nên sử dụng mặt đất này. Nhưng hai cơ sở đó là cùng một kết nối và được kết nối trong sơ đồ. Bây giờ, để kết nối các lớp trên cùng và dưới cùng, vias có thể được sử dụng để kết nối cả hai mặt phẳng mặt đất ở một nơi duy nhất. Ví dụ, hãy xem hình ảnh dưới đây -

Phần trên của trình điều khiển có tất cả các tụ điện liên quan đến bộ lọc nguồn đang sử dụng mặt đất riêng biệt được gọi là Power GND, nhưng phần dưới của IC trình điều khiển là tất cả các thành phần liên quan đến điều khiển, sử dụng một GND điều khiển riêng biệt. Cả hai cơ sở là cùng một kết nối nhưng được tạo ra riêng biệt. Cả hai kết nối GND sau đó tham gia qua IC trình điều khiển.

Tuân theo Tiêu chuẩn IPC

Tuân theo các nguyên tắc và quy tắc về PCB theo tiêu chuẩn thiết kế PCB của IPC. Điều này luôn giảm thiểu rủi ro lỗi nếu nhà thiết kế tuân theo tiêu chuẩn thiết kế PCB được mô tả trong IPC2152 và IPC-2221B. Chủ yếu hãy nhớ rằng chiều rộng của các vết ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và khả năng mang dòng điện. Do đó, chiều rộng sai của các vết có thể dẫn đến tăng nhiệt độ và dòng điện kém.

Các khoảng cách giữa hai dấu vết cũng rất quan trọng để tránh thất bại không chắc chắn hoặc cross-talk, đôi khi crossfires trong ứng dụng điện áp cao hiện tại cao. IPC-9592B mô tả khoảng cách được khuyến nghị giữa các đường dây điện trong thiết kế PCB dựa trên Nguồn điện.

Kết nối Kelvin cho Dòng cảm giác

Kết nối Kelvin là một thông số quan trọng khác trong Thiết kế bảng mạch nguồn, vì độ chính xác của phép đo ảnh hưởng đến khả năng của mạch điều khiển. Mạch điều khiển nguồn điện luôn yêu cầu một số loại phép đo, có thể là cảm biến dòng điện hoặc cảm biến điện áp trong đường phản hồi hoặc cảm biến. Việc cảm nhận này phải được thực hiện từ các đạo trình thành phần theo cách mà các tín hiệu hoặc dấu vết khác không can thiệp vào đường cảm nhận. Kết nối Kelvin giúp đạt được điều tương tự, nếu đường cảm biến là một cặp vi sai, thì độ dài cần phải giống nhau cho cả dấu vết và dấu vết phải kết nối qua các đạo trình thành phần.

Ví dụ, kết nối Kelvin được mô tả đúng trong hướng dẫn thiết kế PCB của Bộ điều khiển nguồn bằng dụng cụ Texas.

Hình ảnh trên hiển thị cảm biến dòng điện thích hợp bằng cách sử dụng kết nối Kelvin. Kết nối phù hợp là kết nối kelvin thích hợp sẽ rất cần thiết cho thiết kế đường cảm giác. Bố cục PCB cũng được đưa ra đúng cách trong tài liệu đó.

Bố cục PCB cho thấy sự kết nối chặt chẽ giữa tụ gốm 10nF và 1nF trên trình điều khiển hoặc IC điều khiển. Dòng Sense cũng phản ánh kết nối kelvin thích hợp. Lớp nguồn bên trong là một đường nguồn riêng biệt được kết nối với các đường nguồn giống nhau nhưng tách biệt bằng cách sử dụng nhiều vias để giảm ghép nối tiếng ồn.