Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Leiterplatte Blog - Die grundlegenden Punkte des PCB Board Layouts der Schaltnetzteil

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Die grundlegenden Punkte des PCB Board Layouts der Schaltnetzteil

2022-08-04
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Author:pcb

Schaltnetzteil-Leiterplattenlayout ist ein wichtiger Prozess bei der Entwicklung von Stromversorgungsprodukten. In vielen Fällen funktioniert ein Netzteil, das perfekt auf Papier ausgelegt ist, während der Erstinbetriebnahme möglicherweise aufgrund vieler Probleme mit dem Layout der Leiterplatte des Netzteils nicht richtig. Die grundlegenden Punkte des Schaltnetzteil-PCB-Layouts werden ausführlich diskutiert und einige praktische PCB-Layoutbeispiele werden beschrieben. Um sich an den schnellen Austauschrhythmus elektronischer Produkte anzupassen, sind Produktdesigningenieure eher geneigt, AC/DC-Adapter zu wählen, die einfach auf dem Markt zu kaufen sind, und mehrere Sätze von DC-Netzteilen direkt auf der Leiterplatte des Systems zu installieren. Da die elektromagnetischen Störungen, die durch das Schaltnetzteil erzeugt werden, den normalen Betrieb seiner elektronischen Produkte beeinflussen, wird das korrekte Layout der Netzteil-Leiterplatte sehr wichtig. Das Layout der Schaltnetzteil-Leiterplatte unterscheidet sich komplett vom Layout der digitalen Schaltungsplatine. Im digitalen Schaltungslayout können viele digitale Chips automatisch durch Leiterplattensoftware angeordnet werden, und die Verbindungsleitungen zwischen Chips können automatisch durch Leiterplattensoftware angeschlossen werden. Das durch den automatischen Satz entladene Schaltnetzteil funktioniert definitiv nicht richtig. Daher müssen Planer ein gewisses Verständnis der Grundregeln des Schaltnetzteil-PCB-Layouts und des Arbeitsprinzips des Schaltnetzteils haben.

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1. Grundlegende Punkte des Leiterplattenlayouts des Schaltnetzteils

1.1 Kondensator Hochfrequenzfiltereigenschaften

Elektrolytkondensatoren haben im Allgemeinen große Kapazität und große äquivalente Serieninduktivität. Da seine Resonanzfrequenz sehr niedrig ist, kann es nur für die Niederfrequenzfilterung verwendet werden. Tantalkondensatoren haben im Allgemeinen eine größere Kapazität und eine kleinere äquivalente Serieninduktivität, so dass ihre Resonanzfrequenz höher als die von Elektrolytkondensatoren ist und in Mittel- und Hochfrequenzfiltern verwendet werden kann. Die Kapazität und die äquivalente Serieninduktivität von Keramikkondensatoren sind im Allgemeinen sehr klein, so dass ihre Resonanzfrequenz viel höher ist als die von Elektrolytkondensatoren und Tantalkondensatoren, so dass sie in Hochfrequenz-Filter- und Bypass-Schaltungen verwendet werden können. Da die Resonanzfrequenz von Keramikkondensatoren mit geringer Kapazität höher ist als die von Keramikkondensatoren mit großer Kapazität, können bei der Auswahl von Bypass-Kondensatoren Keramikkondensatoren mit zu hoher Kapazität nicht ausgewählt werden. Um die Hochfrequenz-Eigenschaften von Kondensatoren zu verbessern, können mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften parallel verwendet werden. Abbildung 3 zeigt den Effekt der Impedanzverbesserung, nachdem mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften parallel geschaltet wurden. 1 Die Kapazität des Bypass-Keramikkondensators sollte nicht zu groß sein, und seine parasitäre Reiheninduktivität sollte so klein wie möglich sein. Mehrere Kondensatoren parallel können die Hochfrequenz-Impedanz-Eigenschaften des Kondensators verbessern.

1.2 Hochfrequenzfiltereigenschaften des Induktors

Bei der Schaltnetzversorgung sollte der Cp der Induktivität so klein wie möglich geregelt werden. Gleichzeitig muss beachtet werden, dass die Induktivität derselben Induktivität aufgrund unterschiedlicher Spulenstrukturen unterschiedliche Cp-Werte hat, und die Induktivität derselben Induktivität unter zwei verschiedenen Spulenstrukturen unterschiedliche Cp-Werte hat. Die 5-Windungen des Induktors werden sequenziell gewickelt. Der Cp-Wert dieser Spulenstruktur beträgt 1/5 der äquivalenten Parallelkapazität (C) der Drehspule. Die 5-Turn-Wicklung der Spule wird in einer Crossover-Sequenz gewickelt. Wo die Wicklungen 4 und 5 zwischen den Wicklungen 1, 2 und 3 angeordnet sind und die Wicklungen 1 und 5 sehr nah beieinander liegen, ist der Cp, der durch diese Wicklungsstruktur erzeugt wird, doppelt so groß wie der C-Wert einer 1-Turn-Spule. Es zeigt sich, dass die Cp-Werte von zwei Induktivitäten mit gleicher Induktivität tatsächlich mehrfach unterschiedlich sind. Bei der Hochfrequenzfilterung, wenn der Cp-Wert einer Induktivität zu groß ist, können hochfrequente Rauschen leicht direkt durch Cp an die Last gekoppelt werden. Ein solcher Induktor verliert auch seine Hochfrequenzfilterfunktion. Auf einer Leiterplatte wird Vin auf verschiedene Weise durch L zum Laden (RL) geführt. Um den Cp der Induktivität zu reduzieren, sollten die beiden Stifte der Induktivität so weit wie möglich entfernt gehalten werden. Die Spuren vom positiven Pol von Vin zu RL und dem negativen Pol von Vin zu RL sollten so nah wie möglich sein, die parasitäre Parallelkapazität der Induktivität sollte so klein wie möglich sein, und je weiter der Abstand zwischen den Pads der Induktionsstifte, desto besser.


1.3 Spiegelfläche

Das Konzept der Spiegeloberfläche in der elektromagnetischen Theorie wird für Designer sehr hilfreich sein, um das PCB-Layout der Schaltnetzteile zu meistern. Szenario, wenn Gleichstrom über eine Erdungsebene fließt. Der Gleichstrom auf der Formation ist nun sehr gleichmäßig über die gesamte Formation verteilt. Szenario, wenn Hochfrequenzstrom über die gleiche Formation fließt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Rückwechselstrom am Boden nur in der Mitte des Bodens fließen und es gibt keinen Strom auf beiden Seiten des Bodens. Planer sollten versuchen, keine Strom- oder Signalspuren auf der Bodenebene zu platzieren. Sobald die Verdrahtung auf der Bodenschicht die gesamte Hochfrequenzschleife zerstört, erzeugt der Schaltkreis starke elektromagnetische Wellenstrahlung und zerstört den normalen Betrieb der umgebenden elektronischen Geräte. Vermeiden Sie die Platzierung von Strom- oder Signalspuren auf der Erdungsebene.


1.4 Hochfrequenzschleife

Im Schaltnetzteil befinden sich viele Hochfrequenzschleifen, die aus Leistungsgeräten bestehen. Wenn die â-³-Schleife nicht richtig gehandhabt wird, wird dies einen großen Einfluss auf den normalen Betrieb der Stromversorgung haben. Um das elektromagnetische Wellenrauschen der Hochfrequenzschleife zu reduzieren, sollte die Fläche der Schleife sehr klein gesteuert werden. Die Hochfrequenzstromschleife hat eine große Fläche, die starke elektromagnetische Störungen innerhalb und außerhalb der Schleife erzeugt. Wenn der Schleifenbereich für denselben Hochfrequenzstrom sehr klein ausgelegt ist, heben sich die internen und externen elektromagnetischen Felder der Schleife gegenseitig auf, und die gesamte Schaltung wird sehr leise. Die Fläche der Hochfrequenzschleife sollte so weit wie möglich minimiert werden.


1.5 Via und Pad Platzierung

Viele Designer platzieren gerne viele Vias unter mehrschichtigen Leiterplatten. Es ist jedoch notwendig, zu viele Durchgänge auf dem Hochfrequenzstromrückweg zu vermeiden. Andernfalls werden die hochfrequenten Stromspuren am Boden beschädigt. Wenn einige Durchkontaktierungen auf dem Hochfrequenzstrompfad platziert werden müssen, kann zwischen den Durchkontaktierungen ein Raum gelassen werden, damit der Hochfrequenzstrom reibungslos verläuft. Durch Platzierung sollte der Fluss von hochfrequenten Strömen auf der Bodenebene nicht gestört werden, und Designer sollten sich auch bewusst sein, dass verschiedene Pad-Formen unterschiedliche Reiheninduktivitäten erzeugen. Die Platzierung des Bypass-Kondensators berücksichtigt auch seinen Serieninduktivitätswert. Bypass-Kondensatoren müssen keramische Kondensatoren mit niedriger Impedanz und niedriger ESL sein. Wenn jedoch ein hochwertiger Keramikkondensator falsch auf der Leiterplatte platziert wird, verschwindet seine Hochfrequenzfilterfunktion.


1.6 Power DC Ausgang

Viele Schaltnetzteile haben Lasten weit weg von den Ausgangsanschlüssen des Netzteils. Um die elektromagnetische Störung zu vermeiden, die durch die Stromversorgung selbst oder die umgebenden elektronischen Geräte zur Ausgangsverdrahtung verursacht wird, muss die Ausgangsstromverdrahtung sehr nah sein, um den Bereich der Ausgangsstromschleife zu minimieren.


1.7 Trennung von Bodenschichten auf der Systemplatte

Die Systemplatine einer neuen Generation elektronischer Produkte wird analoge Schaltungen, digitale Schaltungen und Schaltnetzteile gleichzeitig haben. Um den Effekt des Schaltnetzwerkrauschens auf empfindliche analoge und digitale Schaltungen zu reduzieren, ist es oft notwendig, die Masseebenen der verschiedenen Schaltungen zu trennen. Wenn eine mehrschichtige Leiterplatte verwendet wird, können die Masseschichten verschiedener Schaltungen durch verschiedene Leiterplattenschichten getrennt werden. Wenn das gesamte Produkt nur eine Erdungsschicht hat, ob es sich um eine Erdungsschichttrennung auf einer mehrschichtigen Leiterplatte oder um eine Erdungsschichttrennung auf einer einschichtigen Leiterplatte handelt, sollten die Erdungsschichten verschiedener Schaltkreise über einen einzigen Punkt mit der Erdungsschicht der Schaltnetzversorgung verbunden werden. Sieben verschiedene Schaltungen auf der Systemplatine erfordern unterschiedliche Masseebenen, und die Masseebenen verschiedener Leiterplatten sind mit der Leistungs-Masseebene durch einen einzigen Punkt verbunden.


2. Beispiel für PCB-Layout der Schaltnetzteil

Der Konstrukteur sollte in der Lage sein, die Komponenten im Stromkreis und die Komponenten im Steuersignalkreis auf diesem Schaltplan zu unterscheiden. Wenn der Konstrukteur alle Komponenten im Netzteil so behandelt, als wären sie in einer digitalen Schaltung, ist das Problem ziemlich ernst. Normalerweise ist es zunächst notwendig, den Weg des Hochfrequenzstroms der Stromversorgung zu kennen und zwischen der Kleinsignalsteuerung und den Leistungskreiskomponenten und ihren Leiterbahnen zu unterscheiden. Im Allgemeinen umfasst der Stromkreis der Stromversorgung hauptsächlich Eingangsfilterkondensatoren, Ausgangsfilterkondensatoren, Filterinduktivitäten und FETs der oberen und unteren Leistung. Die Steuerschaltung umfasst hauptsächlich einen PWM-Steuerchip, einen Bypass-Kondensator, eine Bootstrap-Schaltung, einen Feedback-Spannungsteilerwiderstand und eine Feedback-Kompensationsschaltung.

2.1 PCB Layout der Stromversorgung Schaltung

Die korrekte Platzierung und Routing der Leistungskomponenten auf der Leiterplatte bestimmt, ob die gesamte Stromversorgung ordnungsgemäß funktioniert. Konstrukteure müssen zunächst ein gewisses Verständnis der Spannungs- und Stromwellenformen an Schaltnetzgeräten haben. Strom- und Spannungswellenformen einer ausschaltbaren Schaltnetzteil-Komponente. Da der Strom vom Eingangsfilterkondensator (Cin), dem oberen FET (S1) und dem F-Ende FET (S2) einen Wechselstrom mit hohen Frequenzen und hohen Spitzenwerten fließt, sollte der entstehende Schleifenbereich minimiert werden. Gleichzeitig sollte auch der Schleifenbereich, der durch S2, L und den Ausgangsfilterkondensator (Cout) gebildet wird, minimiert werden. Wenn der Designer die Stromkreis-Leiterplatte nicht gemäß den in diesem Buch beschriebenen Punkten herstellt, ist es wahrscheinlich, dass die Netzteil-Leiterplatte in Netto-19 angezeigt wird. Es gibt viele Fehler im Layout der Leiterplatte: weil Cin eine große ESL hat, verschwindet der hohe Wert von Cin Die Frequenzfilterungsfähigkeit im Grunde; Zweitens ist die Fläche der Cin-S1-S2- und S1-LCout-Schleifen zu groß, und das erzeugte elektromagnetische Rauschen verursacht eine große Störung der Stromversorgung selbst und der peripheren Schaltungen; Drittens, das L-Pad Wenn es zu nah ist, ist das Cp zu groß und seine Hochfrequenzfilterfunktion wird reduziert; Viertens ist die Cout-Pad-Leitung zu lang, was dazu führt, dass die FSL zu groß ist und die Hochfrequenz-Filterlinie verliert. Der Bereich der Cin-S1-S2 und S2-L-Cout Schleifen wurde kontrolliert. Der Verbindungspunkt zwischen der Quelle von S1, dem Abfluss von S2 und L ist ein einziges Stück eines Kupferpolsters. Da die Spannung an diesem Übergang hochfrequent ist, müssen S1, S2 und L sehr nahe beieinander liegen. Obwohl es keinen Hochspitzstrom auf der Spur zwischen L und Cout gibt, kann die breitere Spur den Verlust der Gleichstromimpedanz verringern und die Effizienz der Stromversorgung verbessern. Wenn die Kosten es erlauben, kann das Netzteil auf einer doppelseitigen Leiterplatte mit einer Erdungsebene auf einer Seite verwendet werden, aber es muss darauf geachtet werden, Strom- und Signalleitungen auf der Erdungsebene zu vermeiden. Ein Keramikkondensator wird den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Netzteils hinzugefügt, um die Hochfrequenzfilterleistung des Netzteils zu verbessern.


2.2 PCB Layout der Leistungssteuerung Schaltung

Das Layout der Leistungssteuerung Leiterplatte ist auch sehr wichtig. Ein unangemessenes Layout verursacht Drift und Oszillation der Ausgangsspannung des Netzteils. Der Steuerkreis sollte an der Seite des Stromkreises platziert werden, nicht in der Mitte der Hochfrequenz-Wechselstromschleife. Der Bypass-Kondensator sollte so nah wie möglich an den Vcc- und Massepunkten (GND) des Chips sein. Rückkopplungswiderstände sind ebenfalls in der Nähe des Chips platziert. Die Schleife vom Chipantrieb zum FET sollte ebenfalls so weit wie möglich verkürzt werden, und die Antriebskreisschleife vom Steuerchip zum oberen und unteren FET sollte so kurz wie möglich sein.


2.3 Schaltnetzteil PCB Layout Beispiel 1

In diesem Netzteil kommt ein kostengünstiger PWM-Controller (Semtech Modell SCIIO4A) zum Einsatz. Die untere Schicht der Leiterplatte ist eine komplette Masseebene. Es gibt keine Trennung zwischen der Leistungsebene und der Steuerebene auf dieser Leiterplatte. Es kann gesehen werden, dass die Stromschaltung der Stromversorgung aus der Eingangsbuchse (das obere linke Ende der Leiterplatte) durch die Eingangsfilterkondensatoren (C1, C2,), S1, S2, L1 und die Ausgangsfilterkondensatoren (C10, C11, C12, C13) bis zur Ausgangsbuchse (unteres rechtes Ende der Leiterplatte) besteht. SC1104A befindet sich am unteren linken Ende der Leiterplatte. Da der Stromkreisstrom nicht durch den Steuerkreis auf der Masseebene fließt, ist es nicht notwendig, die Masseebene des Steuerkreises von der Masseebene des Leistungskreises zu trennen. Wenn die Eingangsbuchse am unteren linken Ende der Leiterplatte platziert ist, wird der Stromkreis direkt durch den Steuerkreis auf der Erdungsebene geleitet, und es ist notwendig, die beiden zu trennen.


2.4 Schaltnetzteil PCB Layout Beispiel 2

Ein weiteres Step-Down Schaltnetzteil, das Netzteil kann 12V Eingangsspannung in 3.3V Ausgangsspannung umwandeln, und der Ausgangsstrom kann 3A erreichen. An diesem Netzteil kommt ein integrierter Leistungsregler (Semtech Modell SC4519) zum Einsatz. Diese Art von Controller integriert eine Leistungsröhre in den Leistungsreglerchip. Ein solches Netzteil ist sehr einfach und eignet sich besonders für Unterhaltungselektronik-Produkte wie tragbare DVD-Player, ADSL und Set-Top-Boxen. Wie im vorherigen Beispiel sollten bei diesem einfachen Schaltnetzteil auch beim Layout der Leiterplatte die folgenden Punkte beachtet werden.

1) Der Schleifenbereich, der vom Eingangsfilterkondensator (C3), dem Erdungsstift (GND) von SC4519 und D2 umschlossen wird, muss klein sein. Das bedeutet, dass C3 und D2 sehr nahe am SC4519 liegen müssen.

2) Separate Erdungsebenen des Stromkreises und Erdungsebenen des Steuerkreises können verwendet werden. Die Komponenten, die mit der Leistungserdschicht verbunden sind, umfassen Eingangsbuchse (VIN), Ausgangsbuchse (VOUT), Eingangsfilterkondensator (C3) und Ausgangsfilterkondensator (C2), D2, SC4519. Zu den an die Steuermasse angeschlossenen Komponenten gehören Ausgangsspannungsteilerwiderstände (R1, R2), Rückkopplungskompensationsschaltungen (R3, C4, C3,), Enable Sockets (EN) und Synchronbuchsen (SYNC).

3) Fügen Sie ein Loch in der Nähe des Erdungsstifts von SC4519 hinzu, um die Erdungsschicht des Stromkreises mit der Erdungsschicht des Steuersignalkreises an einem einzigen Punkt zu verbinden. Das Layoutdiagramm der oberen Schicht der Netzteil-Leiterplatte. Um das Verständnis des Lesers zu erleichtern, werden die Energiegrundebene und die Steuersignalgrundebene durch verschiedene Farben dargestellt. Hier werden die Eingangsbuchsen auf der Oberseite der Leiterplatte und die Ausgangsbuchsen auf der Unterseite der Leiterplatte platziert. Der Filterinduktor (L1) befindet sich auf der linken Seite der Leiterplatte und in der Nähe der Leistungserdungsebene, während die Rückkopplungskompensationsschaltung (R3, C4, C5), die empfindlicher auf Rauschen ist, auf der rechten Seite der Leiterplatte und in der Nähe der Steuersignal-Masseebene platziert ist. D2 ist sehr nah an den Pins 3 und 4 von SC4519. Das Layoutdiagramm der unteren Schicht der Leistungsplatine.