Thông tin PCB - Nhanh chóng tạo thiết kế bảng PCB để chuyển đổi nguồn cung cấp điện

Các bộ điều chỉnh chuyển đổi và nguồn cung cấp điện ngày nay đang trở nên nhỏ gọn hơn và mạnh mẽ hơn, và tần số chuyển đổi ngày càng cao hơn là một trong những vấn đề chính mà các nhà thiết kế phải đối mặt, làm cho thiết kế bảng PCB ngày càng khó khăn hơn. Trên thực tế, bố trí PCB đã trở thành một điểm phân biệt giữa các thiết kế cung cấp điện chuyển đổi tốt và xấu. Bài viết này cung cấp một số đề xuất về cách tạo bố trí PCB.

Hãy xem xét một bộ điều chỉnh chuyển đổi 3A giảm 24V xuống 3,3V. Thiết kế một bộ điều chỉnh 10W như vậy có vẻ không quá khó khăn ban đầu, và các nhà thiết kế có thể sớm có thể chuyển sang giai đoạn triển khai. Tuy nhiên, hãy xem những vấn đề thực sự gặp phải sau khi áp dụng phần mềm thiết kế như Webench. Nếu chúng ta nhập các yêu cầu trên, Webench chọn LM25576 (thiết bị đầu vào 42V bao gồm FET 3A) trong gia đình "Simpler Switcher" từ một số IC. Chip được đặt trong một gói TSSOP-20 với miếng đệm nhiệt. Tối ưu hóa thiết kế cho khối lượng hoặc hiệu quả được bao gồm trong menu Webench. Thiết kế đòi hỏi một số lượng lớn các cảm ứng và tụ điện, đòi hỏi một không gian bảng PCB lớn. Webench cung cấp các tùy chọn như được hiển thị trong Bảng 1.

Điều đáng lưu ý là hiệu quả là 84%, và hiệu quả này được đạt được khi sự khác biệt áp suất đầu vào-đầu ra rất thấp. Trong ví dụ này, tỷ lệ đầu vào/đầu ra lớn hơn 7. Nói chung, một mạch hai giai đoạn có thể được sử dụng để giảm tỷ lệ giai đoạn đến giai đoạn, nhưng hiệu quả đạt được với hai bộ điều chỉnh sẽ không tốt hơn. Tiếp theo, chúng tôi chọn tần số chuyển đổi của khu vực bảng PCB. Tần số chuyển đổi cao có thể tạo ra vấn đề bố trí. Webench có thể tạo ra sơ đồ mạch với tất cả các thành phần hoạt động và thụ động. Hãy nhìn vào các đường dẫn hiện tại: đánh dấu vòng lặp của FET trong trạng thái ON bằng màu đỏ; đánh dấu vòng lặp của FET trong trạng thái tắt bằng màu xanh lá cây. Chúng ta có thể quan sát hai trường hợp khác nhau: các vùng có hai màu sắc và các vùng chỉ có một màu sắc. Chúng ta phải chú ý đặc biệt đến trường hợp sau này, vì vậy hiện tại thay thế giữa 0 và quy mô đầy đủ. Đây là các khu vực có di / dt cao. Dòng luân chuyển di / dt cao sẽ tạo ra một từ trường đáng kể xung quanh dây bảng PCB, sẽ trở thành nguồn nhiễu chính cho các thiết bị khác trong mạch và thậm chí các mạch khác trên cùng một bảng PCB hoặc lân cận. Giả sử đây không phải là một dòng điện chuyển tiếp, đường dẫn dòng điện chung không quá quan trọng và hiệu ứng di / dt nhỏ hơn nhiều. Mặt khác, các khu vực này sẽ mang tải trọng lớn hơn theo thời gian. Trong ví dụ này, các con đường phổ biến là từ cathode diode đến đầu ra và từ mặt đất đầu ra đến anode diode. Khi tụ đầu ra sạc và xả, tụ này tạo ra di / dt cao. Tất cả các phân đoạn kết nối tụ đầu ra phải đáp ứng hai điều kiện: chúng phải rộng vì dòng chảy dòng điện cao và chúng phải ngắn nhất có thể để giảm thiểu hiệu ứng di / dt.

Các điểm chính của thiết kế bố trí PCB Trong thực tế, các nhà thiết kế không nên thực hiện cái gọi là bố trí truyền thống bằng cách định tuyến dây từ Vout và mặt đất đến tụ điện. Những dây này sẽ mang dòng điện chuyển tiếp lớn, vì vậy kết nối đầu ra và mặt trực tiếp với các đầu cuối tụ điện là một cách tiếp cận tốt hơn. Dòng chuyển tiếp như vậy chỉ xuất hiện trên tụ điện. Các dây khác kết nối tụ tụ bây giờ mang gần như dòng điện ổn định, vì vậy bất kỳ vấn đề nào với di / dt đều được giải quyết tốt. Trái đất là một câu đố thường bị hiểu lầm khác. Đơn giản là đặt một phẳng mặt đất trên "Lớp 2" và kết nối tất cả các mặt đất với lớp này sẽ không hoạt động tốt. Để xem tại sao. Ví dụ thiết kế của chúng tôi có tối đa 3A dòng điện phải chảy từ mặt đất trở lại nguồn (pin xe 24V hoặc nguồn cung cấp điện 24V). Kết nối mặt đất của diode, COUT, CIN và tải sẽ có dòng chảy dòng chảy lớn hơn, trong khi kết nối mặt đất của bộ điều chỉnh chuyển đổi sẽ có dòng chảy dòng chảy nhỏ. Điều tương tự cũng áp dụng cho tham chiếu mặt đất của bộ chia điện trở. Nếu tất cả các chân mặt đất trên được kết nối với một phẳng mặt đất, sự nhảy lại mặt đất sẽ xảy ra. Mặc dù các điểm nhỏ nhạy cảm trong mạch (chẳng hạn như bộ chia điện trở thông qua đó có được điện áp phản hồi) sẽ không có một tham chiếu mặt đất ổn định. Bằng cách này, toàn bộ độ chính xác điều chỉnh điện áp sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều. Trên thực tế, các nguồn ẩn trong máy bay mặt đất cấp hai cũng tạo ra "chuông" và rất khó tìm thấy. Ngoài ra, các kết nối dòng điện cao phải sử dụng các đường dẫn đến các máy bay mặt đất, là một nguồn nhiễu và tiếng ồn khác. Một giải pháp tốt hơn là kết nối mặt đất CIN như một nút sao cho tất cả các dây dẫn mặt đất dòng điện cao ở phía đầu vào và đầu ra của mạch. Ngôi sao này kết nối phẳng mặt đất và hai kết nối mặt đất hiện tại nhỏ (IC và bộ chia điện áp). Bây giờ máy bay mặt đất sẽ sạch sẽ: không có dòng chảy cao, không có nhảy lên mặt đất. Tất cả các mặt đất dòng cao đều được kết nối với mặt đất CIN. Tất cả những gì nhà thiết kế phải làm là giữ cho dây mặt đất (tất cả trên lớp trên cùng của PCB) ngắn và dày nhất có thể. Các nút cần kiểm tra là những nút trở kháng cao vì chúng dễ bị gián đoạn. Node quan trọng là pin phản hồi của IC, tín hiệu của nó được lấy từ bộ chia điện trở. Pin FB là đầu vào một bộ khuếch đại (chẳng hạn như LM25576) hoặc bộ so sánh (chẳng hạn như bộ điều chỉnh hysteresis). Kháng trở tại điểm FB khá cao trong cả hai trường hợp. Do đó, bộ chia điện trở nên được đặt bên phải của pin FB, với một dây ngắn từ giữa bộ chia điện trở đến FB. Các dây dẫn từ đầu ra đến bộ chia điện trở có trở kháng thấp và các dây dẫn dài hơn có thể được sử dụng để kết nối với bộ chia điện trở. Điều quan trọng ở đây là phương pháp dây chứ không phải chiều dài dây. Các node khác không quá quan trọng. Vì vậy, đừng lo lắng về các nút chuyển đổi, diode, COUT, pin VIN của IC điều chỉnh chuyển đổi hoặc CIN.

Phương pháp dây Phương pháp dây sẽ tạo ra sự khác biệt với bộ chia điện trở. Dây này đi từ COUT đến bộ chia điện trở, và mặt đất của nó trở lại COUT. Chúng ta phải đảm bảo rằng vòng không tạo thành một khu vực mở. Khu vực mở hoạt động như một ăng ten nhận. Nếu chúng ta có thể đảm bảo rằng phẳng mặt đất dưới dây không gây nhiễu, thì khu vực được bao quanh bởi dây và mặt đất dưới dây và khoảng cách giữa lớp 1 và 2 cũng nên không gây nhiễu. Bây giờ rõ ràng tại sao mặt đất không nên ở trên lớp 4, vì khoảng cách đã tăng đáng kể. Một cách khác là định tuyến kết nối mặt đất của bộ chia điện trở trên lớp 1, và có hai dây song song và càng gần nhau càng tốt để làm cho diện tích nhỏ hơn. Những điểm này áp dụng cho tất cả các dây mà tín hiệu chảy qua: kết nối cảm biến, đầu ra khuếch đại, đầu vào ADC hoặc khuếch đại âm thanh. Mỗi tín hiệu tương tự nên được xử lý để giảm khả năng chúng sẽ nhận được tiếng ồn. Yêu cầu giảm thiểu diện tích bảng mở bất cứ khi nào có thể cũng áp dụng cho dấu hiệu trở kháng thấp; Trong trường hợp này, chúng ta có một nguồn tiềm năng ("ăng ten") phát ra các tín hiệu gây nhiễu đến các bộ phận khác của PCB hoặc các thiết bị khác. Để nhắc lại, khu vực bảng mở càng nhỏ, càng tốt. Hai dây khác cũng rất quan trọng, dải là từ đầu ra công tắc của IC đến nút diode và cảm ứng; thứ hai là từ diode đến nút này. Hai dây này có di / dt cao cả khi công tắc được bật và khi diode đang truyền dòng, vì vậy các dây này nên ngắn và dày nhất có thể. Các dây từ nút này đến bộ cảm ứng và từ bộ cảm ứng đến COUT ít quan trọng hơn. Trong ví dụ này, dòng điện cảm ứng tương đối ổn định và thay đổi từ từ. Tất cả những gì chúng ta phải làm là đảm bảo rằng nó là một điểm trở kháng thấp để giảm thiểu sự giảm điện áp.

Phân tích mẫu thực tế Thành phần chính là bộ điều khiển hoạt động với FET bên ngoài trong một gói MSOP-8. Hãy chú ý đến không gian gần CIN, điểm mặt đất của tụ điện này được kết nối trực tiếp với anode diode. Bạn không thể làm cho dây bên trong "đất điện" ngắn hơn! FET[SW] có thể được di chuyển lên vài milimet để rút ngắn dây giữa cathode-inductor-FET. Khu vực COUT là vô hình. Nhưng chúng ta có thể quan sát thấy rằng bộ chia điện trở (FB1-FB2) rất gần với IC này. FB2 được kết nối với một phẳng mặt đất độc lập khác, và các chân mặt đất của IC cũng được xử lý theo cùng một cách. Sử dụng ba đường dẫn để kết nối mặt đất "tín hiệu" với phẳng mặt đất, và mặt đất "điện" cũng được kết nối với chân GND của bảng PCB bằng cách sử dụng ba đường dẫn. Bằng cách này, mặt đất "tín hiệu" không thấy bất kỳ nhảy nhảy nào xảy ra trên mặt đất "điện". Nếu bạn có thể tuân theo một vài quy tắc đơn giản ở trên, thiết kế bố trí PCB của bạn sẽ mượt mà hơn. Trước khi bắt đầu thiết kế bố trí, dành thời gian để xem xét cẩn thận thiết kế bố trí bảng PCB sẽ có hiệu ứng nhân, có thể giúp bạn tiết kiệm thời gian trong việc giải quyết hành vi bất thường trong nguồn cung cấp điện chuyển đổi trong tương lai.