7 úvah o návrhu napájacieho zdroja PCB: PCBMAY

Základy rozloženia a smerovania dosiek spínaného napájania

Článok poskytuje tipy a triky na vytvorenie vodivého vzoru, ktorý treba zvážiť Návrh napájacieho zdroja PCB a uzemňovacích obvodov pri navrhovaní dosiek plošných spojov rozoberá vlastnosti hviezdicového zapojenia pre napájacie a uzemňovacie vedenia, ako aj viacfrekvenčné oddelenie týchto obvodov.

Okrem toho článok ukazuje, ako zmenou usporiadania komponentov môžete znížiť slučku vysokofrekvenčných prúdov.

Vývoj elektronických obvodov je podobný ako pri výstavbe výškových budov v oblastiach náchylných na zemetrasenia.

V oboch prípadoch je funkčnosť a odolnosť bez dobrého základu nemysliteľná.

Čo je to Idohoda Power Source pre DC v PCB?

Ideálny zdroj energie premieňa striedavý prúd (AC) dodávaný do domácností a priemyselných podnikov na jednosmerný prúd (DC) potrebný pre elektroniku.

V ideálnom DC svete neexistuje žiadny šum, žiadne vlnenie, žiadne striedavé harmonické.

Navyše v takomto svete je zem, ktorá je referenčným bodom pre celý systém jednosmerného napájania, nepoškvrnená.

Ako inžinieri rýchlo zistíme, že náš svet nie je ani zďaleka dokonalý.

To znamená, že aj napriek existujúcim obmedzeniam musíme využiť všetky svoje znalosti a schopnosti, aby sme dosiahli želané výsledky.

Najprv musíte pochopiť svoje prostredie a pochopiť, že RF rušenie je často generované externými vysielačmi, ako aj digitálnymi obvodmi bežiacimi na rovnakej doske plošných spojov.

Začnime sieťovou zásuvkou. Vo väčšine prípadov je žiaduce použiť prepäťovú ochranu, ako je tá, ktorá je znázornená na obrázku 1.

Riadkový filter spoločného režimu

Obrázok: 1. Riadkový filter spoločného režimu

Hlavným účelom filtra je poskytnúť symetrickú obojstrannú ochranu.

Chráni pred rušením, ktoré sa môže dostať do elektronického zariadenia zo siete striedavého prúdu, a zároveň zabraňuje rušeniu generovanému samotným zariadením vstúpiť do siete.

Overte úroveň rušenia vysielaného zariadením a prijateľnosť signálov, ktoré prijíma.

Spoločný Bna úrovni vesla Errors: Úvahy o návrhu napájacieho zdroja PCB

Vo viacvrstvových doskách poskytujú pevné zemné a napájacie polygóny maximálnu integritu signálu.

Počiatočný krok pre Úvahy pre Návrh napájacieho zdroja PCB je vybrať uzemňovacie body na šasi a na všetkých doskách plošných spojov.

Niektorí neskúsení vývojári považujú Zem za akési magické miesto, kde všetky vodiče miznú a všetky nesprávne výpočty sú vyrovnané. Niekedy najskôr vyberú uzemňovací bod, ale neposkytujú samostatné cesty pre spätné prúdy do tohto bodu z rôznych typov obvodov. Obrázok 2 znázorňuje podobnú chybu.

Chyby vedúce k hlučnej pôde

Obrázok: 2. Chyby vedúce k hlučnej pôde

Začíname s hviezdicovým uzemňovacím bodom na +5 V napájacom zdroji.

Hluk generovaný digitálnymi obvodmi sa dostane do 5 V napájacieho zdroja aj do zeme.

Je jasné, že analógový obvod vyžaduje „čisté“ napätie +3.3 V, ale boli sme príliš leniví na to, aby sme viedli samostatné koľajnice pozemných a +5 V koľajníc do bodov označených hviezdičkami na napájacom zdroji.

Lineárny LDO je potrebný na vytvorenie čistého 3.3 V, alebo sa nám to tak zdá.

V skutočnosti bude napätie na výstupe lineárneho regulátora vždy presne 3.3 V nad referenčným napätím alebo potenciálom zeme.

Preto, ak LDO robí svoju prácu a potenciál zeme skáče hore a dole ako chvejúca sa červená šípka, potom sa výstupné napätie +3.3 V začne meniť podľa potenciálu zeme.

Teraz sa pozrime, ako dlho bude trvať zistenie príčin nesprávnej činnosti modulu, ktorý neumožňuje samostatné pripojenie digitálnych a analógových obvodov k napájaniu? Najlepší spôsob pripojenia analógového obvodu je znázornený na obrázku 3.

Správne pripojenie k zemi a napájanie

Obrázok: 3. Správne pripojenie k zemi a napájanie.

Predpokladá sa, že zem a napájanie sú čisté v miestach pripojenia.

Žiadny hluk medzi zemou a napájaním: Úvahy o návrhu napájacieho zdroja PCB

Vyhlásenie, že v bodoch označených hviezdičkami na obrázku 3 sú zem a výkon čisté, znamená, že v týchto bodoch sú jednotné; medzi zemou a napájaním nie je žiadny rozdielový šum.

V ideálnom prípade by výstupná impedancia napájacieho zdroja mala byť blízka nule, alebo by na výstupe mali byť oddeľovacie kondenzátory s nízkou ekvivalentnou sériovou impedanciou v záujmovom frekvenčnom rozsahu.

Jednotlivé vodiče, ktoré spájajú rôzne obvody so zemou a napájacími bodmi, majú tiež svoj vlastný odpor a indukčnosť.

Očakávame, že tento odpor a indukčnosť izolujú hlučné obvody od čistých obvodov.

Sériovo zapojené odpory a indukčnosti, ako aj oddeľovacie kondenzátory na výstupoch blokov obvodu tvoria dolnopriepustný filter.

Ak vodič ide do bloku obvodu

Kondenzátor s inherentnými parazitnými komponentmi

Obrázok: 4. Kondenzátor s inherentnými parazitnými komponentmi

Izolácia nie je jednoduchá, pretože kondenzátory majú parazitné indukčnosti.

V praxi je kondenzátor opísaný ako sériový obvod RCL (obrázok 4).

Kapacita dominuje pri nízkych frekvenciách, ale nad frekvenciou vlastnej rezonancie (SRF) zobrazenou pre rôzne hodnotenia kondenzátorov v grafoch (obrázok 5) existuje oblasť, v ktorej je impedancia kondenzátora indukčná.

Kondenzátor je teda užitočný iba na oddelenie vo frekvenčnom rozsahu blízko alebo pod jeho SRF, to znamená tam, kde je jeho impedancia nízka.

Je to veľmi dôležité pre úvahy o návrhu zdroja PCB.

Šesť kondenzátorov rôznych výkonov a vlastných rezonančných frekvencií

Obrázok: 5. Šesť kondenzátorov rôznych hodnôt a ich vlastných rezonančných frekvencií

Obrázok 5 zobrazuje typické frekvenčné charakteristiky kondenzátorov rôznych hodnôt [1].

Obrázok jasne ukazuje prirodzené rezonančné frekvencie (poklesy v grafoch).

Tieto špecifikácie tiež ukazujú, že pri nízkych frekvenciách poskytujú kondenzátory s vyššími hodnotami kapacity (nižšia impedancia) lepšie oddelenie ako kondenzátory s nižšími menovitými hodnotami. Na vykreslenie frekvenčných charakteristík kondenzátorov môžete použiť bezplatné programy SPICE [2 … 4].

Prepínanie IC napájacích zdrojov: Špecifické chyby

Všimnite si, že obrázok 6 používa dva rôzne symboly zeme. Symbol trojuholníka označuje uzemnenie, ktoré prenáša veľký nárazový prúd pri vysokej rýchlosti nábehu. Izolujte vysokofrekvenčné vysokoprúdové impulzy od slabej referenčnej alebo analógovej zeme.

Zjednodušená schéma spínaného zdroja na báze MAX17501

Obrázok: 6. Zjednodušená schéma spínaného zdroja na báze MAX17501

Na obrázku 6 je keramický kondenzátor vstupného filtra (C1) [5] umiestnený v blízkosti kolíka VIN integrovaného obvodu. Tento kondenzátor funguje ako zásobník energie a vyhladzuje silné impulzy, ktoré by sa inak vrátili do jednosmerného napájania.

V závislosti na úvahách o návrhu napájania PCB a dobe nábehu spínacích impulzov môže byť tento kondenzátor zložený z niekoľkých kondenzátorov rôznych hodnôt, aby pokryl väčší frekvenčný rozsah. Blokovací kondenzátor pripojený na kolík VCC by mal byť tiež umiestnený čo najbližšie k tomuto kolíku.

Je možné, že aj tento kondenzátor bude musieť byť zložený z niekoľkých kondenzátorov. Pre čo najefektívnejší odvod tepla by malo byť pod odkrytou podložkou niekoľko priechodov, ktoré zabezpečia tepelné spojenie so skládkou.

Izolácia medzi zemou

Obrázok: 7. Izolácia medzi zemou, bodom ich spojenia a dráhou silného prúdu (označené prerušovanou čiarou)

Čo je Current Fnízky Power Supply: Úvahy o návrhu napájania PCB?

Dráha toku prúdu znázornená na obrázku 7 je najdôležitejšou oblasťou v spínanom napájacom zdroji.

Izolácia týchto dvoch uzemní je kritická pre stabilnú prevádzku, pretože malé zmeny môžu mať v tomto prípade významný vplyv na účinnosť a hlučnosť napájacieho zdroja, na úroveň elektromagnetického a rádiofrekvenčného rušenia, ktoré vyžaruje.

Pretože impulzné prúdy prúdia pozdĺž tohto obvodu, aby sa znížila zvodová indukčnosť (parazitná indukčnosť), tlačené vodiče by mali byť veľmi krátke a čo najširšie.

Slučka by mala byť čo najmenšia: jednoduché otočenie plynu o 90 ° môže zlepšiť výkon dosky o 20 %. Na zníženie indukčnosti priechodu sa podľa potreby používajú dva, štyri alebo dokonca viac paralelných priechodov.

Na obrázku 7 je priechod označený ako kruh s malým kruhom vo vnútri, čo znamená, že je pripojený k polygónu napájacieho uzemnenia (trojuholníkový uzemňovací znak v diagrame). Tieto priechody sa používajú na pripojenie k Power Ground Polygon (PGND) na spodnej strane dosky a na pripojenie k spoločnému uzemňovaciemu bodu označenému hviezdičkou.

Čo je Stabuľka Signorovať Gokrúhly? Najlepšie úvahy pre návrh napájacieho zdroja PCB

Kruhy s X vo vnútri označujú referenčné alebo stabilné uzemnenie signálu.

Pripojia ho k samostatnej uzemňovacej ploche na spodnej strane dosky a pripoja ho k napájacej zemi v spoločnom bode označenom hviezdičkou.

Rázové prúdy nesmú ovplyvniť analógový malý signál alebo referenčnú zem.

Z tohto dôvodu by mal byť pripojený na silovú zem v bode označenom hviezdičkou, kde je vplyv spínacích procesov minimálny.

Prechody v tvare kruhu so znamienkom „+“ vo vnútri slúžia na napájanie napätia z výstupu zdroja na výstup spätnej väzby mikroobvodu. Tlačený vodič musí byť vedený tak, aby sa čo najrýchlejšie a ďalej vzdialil od induktora a prúdovej slučky. Sériový odpor (R4) by mal byť čo najbližšie k spätnému kolíku, pretože tvorí dolnopriepustný filter so vstupnou kapacitou na tomto kolíku (obrázok 8).

Rezistor R4 je umiestnený v blízkosti výstupu napájacieho zdroja

Obrázok: 8. Rezistor R4 je umiestnený blízko výstupu napájacieho zdroja, dlhá tlačená cesta k
kolík spätnej väzby (FB / VO) funguje ako anténa.

Čo je Idôležité pri úvahách o návrhu napájacieho zdroja PCB pre a PCB Designer?

Neskúsený konštruktér PCB sa môže pozrieť na úvahy týkajúce sa návrhu napájacieho zdroja PCB a schémy zapojenia a umiestniť R4 blízko k výstupnému výkonu, ako je znázornené na obrázku 8. Keďže induktor je netienená cievka drôtu navinutá okolo feritového jadra, generuje intenzívne elektromagnetické pole.

Toto pole indukuje šum (označený oranžovými prerušovanými krúžkami) vstupujúci do spätnoväzbovej svorky, čo vedie k nestabilnej činnosti obvodu, pretože vodič medzi spätnoväzbovou svorkou a rezistorom R4 sa mení na anténu, ktorá zachytáva šum na okrajoch prúdových impulzov.

Presluchy medzi vodičmi môžu byť kapacitné

Obrázok: 9. Presluchy medzi vodičmi môžu byť kapacitné, magnetické, elektrostatické alebo kombináciou oboch.

Na obrázku 9 je vodič A silným zdrojom rušenia a vodič B je vysokoimpedančný prijímač.

Úroveň indukovaného presluchu možno znížiť zväčšením vzdialenosti medzi vodičmi alebo znížením impedancie vodiča B.

Pripomeňme si, že hoci spínacia frekvencia môže byť až niekoľko desiatok kilohertzov, na hranách spínacích impulzov sa vyskytujú RF oscilácie, ktoré vytvárajú presluchy a vytvárajú šum.

Pretože RF vibrácie môžu preklenúť frekvencie až do stoviek megahertzov, je potrebné ich kontrolovať.

Preto je lepšie priviesť signál z výstupu zdroja na spätnoväzbovú svorku, ako je znázornené na obrázku 10. Vodič prebieha v určitej vzdialenosti od dráhy výkonného prúdového impulzu (obrázok 7) a tlmivky L1.

Rezistor R4 tlmí akýkoľvek šum znázornený oranžovými krúžkami. Umiestnenie R4 v blízkosti kolíka spätnej väzby MAX17501 zvyšuje účinnosť dolnopriepustného filtra tvoreného R4 a internou kapacitou.

 

Správne smerovanie signálu minimalizuje presluchy

Obrázok: 10. Správne smerovanie signálu minimalizuje presluchy. Rezistor R4 a vnútorná kapacita fungujú ako dolnopriepustný filter, ktorý tlmí rušenie

Na vysvetlenie základných pojmov sme sa pozreli na to, ako navrhnúť PCB spínaného zdroja na IC čipe so zabudovanými spínacími tranzistormi.

Informácie o konštrukcii spínaných zdrojov na báze mikroobvodov, ktoré poháňajú externé tranzistory, nájdete v ďalších návodoch a článkoch publikovaných Maxim Integrated.

záver

Ak si nájdete čas na starostlivý návrh PCB napájacieho zdroja, prinesie vám to veľa výhod a váš napájací zdroj bude efektívny a čistý.

To je dôvod, prečo je dôležité poznať úvahy o návrhu napájania PCB.

Na druhej strane kvalitné čisté napájacie napätie a čisté uzemnenie, ktoré je tak potrebné pre každé elektronické zariadenie, bude dobrým základom, na ktorom bude možné postaviť zvyšok obvodu.

Ďalšou výhodou pre dizajnéra je, že s dobrým výkonom a čistou zemou je ladenie ostatných obvodov oveľa jednoduchšie.

Hľadanie sporadických alebo občasných chrobákov v hlučnom jedle a hlučnej pôde môže byť nočnou morou.

Skúsení inžinieri, ktorí si uvedomujú dôležitosť dobre navrhnutého zdroja, s ním nikdy nestrácajú čas a nepresúvajú túto prácu na plecia menej skúsených kolegov. Toto je naozaj dôležité.

Prejdite na začiatok

Získajte rýchlu cenovú ponuku!

x
Nahrať súbor

Získajte rýchlu cenovú ponuku!

x
Nahrať súbor