แนวทางการออกแบบเค้าโครง PCB สำหรับวงจรแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเป็นโทโพโลยีของแหล่งจ่ายไฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ไม่ว่าจะเป็นเครื่อง CNC ที่ซับซ้อนหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัดตราบใดที่อุปกรณ์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟบางประเภทวงจร SMPS ก็จำเป็นเสมอ ชุดจ่ายไฟที่ไม่เหมาะสมหรือผิดพลาดอาจทำให้เกิดความล้มเหลวครั้งใหญ่ของผลิตภัณฑ์โดยไม่คำนึงว่าวงจรจะออกแบบและใช้งานได้ดีเพียงใด เราได้ออกแบบวงจร SMPS Power Supply ไว้ค่อนข้างน้อยแล้วเช่น 12V 1A SMPS และ 5V 2A SMPS โดยใช้ Power Integration และ Viper controller IC ตามลำดับ

แหล่งจ่ายไฟ Switching ทุกตัวใช้สวิตช์เช่น MOSFET หรือทรานซิสเตอร์กำลังที่จะเปิดหรือปิดอยู่ตลอดเวลาขึ้นอยู่กับข้อมูลจำเพาะของไดรเวอร์สวิตช์ ความถี่ในการสลับของสถานะเปิดและปิดนี้มีตั้งแต่ช่วงไม่กี่ร้อยกิโลเฮิรตซ์ถึงเมกะเฮิรตซ์ ในโมดูลสวิตชิ่งความถี่สูงกลยุทธ์การออกแบบ PCB มีความสำคัญมากกว่าและบางครั้งนักออกแบบก็มองข้ามไป ตัวอย่างเช่นการออกแบบ PCB ที่ไม่ดีอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของวงจรทั้งหมดได้เช่นเดียวกับ PCB ที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถแก้เหตุการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ได้มากมาย

ตามกฎทั่วไปบทช่วยสอนนี้จะให้รายละเอียดบางประการของแนวทางการออกแบบโครงร่าง PCBที่สำคัญซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบ PCB ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์ทุกประเภท คุณยังสามารถดูเทคนิคการออกแบบสำหรับการลด EMI ในวงจร SMPS

สิ่งแรกสำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์เราต้องมีข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนเกี่ยวกับข้อกำหนดและข้อกำหนดของวงจร แหล่งจ่ายไฟมีส่วนสำคัญสี่ส่วน

ตัวกรองอินพุตและเอาต์พุต
วงจรขับและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องสำหรับวงจรควบคุมไดรเวอร์โดยเฉพาะ
การสลับตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลง
สะพานเอาต์พุตและตัวกรองที่เกี่ยวข้อง

ในการออกแบบ PCB ทุกส่วนเหล่านี้จำเป็นต้องแยกออกจาก PCB และต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษ เราจะพูดถึงแต่ละส่วนโดยละเอียดในบทความนี้

แนวทางสำหรับการป้อนข้อมูลและตัวกรองที่เกี่ยวข้อง

ส่วนอินพุตและตัวกรองคือจุดที่สายจ่ายที่มีเสียงดังหรือไม่ได้รับการควบคุมเชื่อมต่อเข้ากับวงจร ดังนั้นตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุตจะต้องอยู่ในระยะห่างที่เท่ากันจากขั้วต่ออินพุตและวงจรไดรเวอร์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้การเชื่อมต่อที่มีความยาวสั้นเสมอสำหรับการเชื่อมต่อส่วนอินพุตกับวงจรไดรเวอร์

ส่วนไฮไลต์ในภาพด้านบนเป็นตัวแทนตำแหน่งที่ใกล้ชิดของตัวเก็บประจุกรอง

แนวทางสำหรับวงจรขับและวงจรควบคุม

ไดรเวอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย MOSFET ภายในหรือบางครั้ง MOSFET สวิตชิ่งจะเชื่อมต่อกับภายนอก สายสลับมักจะได้รับการเปิดและปิดในความถี่สูงมากและสร้างเส้นอุปทานที่มีเสียงดังมากส่วนนี้จะต้องแยกจากการเชื่อมต่ออื่น ๆ ทั้งหมดเสมอ

ตัวอย่างเช่นควรแยกสาย DC แรงดันสูงที่ตรงไปยังหม้อแปลง (สำหรับ flyback SMPS) หรือสาย DC ที่ตรงไปยังตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า (ตัวควบคุมการสลับที่ใช้โครงสร้างแบบ Buck หรือ Boost)

ในภาพด้านล่างสัญญาณที่ไฮไลต์คือสาย DC แรงดันสูง สัญญาณถูกกำหนดเส้นทางในลักษณะที่แยกออกจากสัญญาณอื่น ๆ

หนึ่งในสายที่มีเสียงดังที่สุดในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟในโหมดสวิตช์คือขาระบายของไดรเวอร์ไม่ว่าจะเป็นการออกแบบฟลายแบ็ค AC เป็น DCหรืออาจเป็นแบบบั๊กบูสต์หรือบูสต์โทโพโลยีตามแหล่งจ่ายไฟสลับต่ำ ออกแบบ. จำเป็นต้องแยกออกจากการเชื่อมต่ออื่น ๆ ทั้งหมดเสมอรวมทั้งต้องสั้นมากเนื่องจากเส้นทางประเภทนี้โดยทั่วไปมีสัญญาณความถี่สูงมาก วิธีที่ดีที่สุดในการแยกสายสัญญาณนี้ออกจากสายอื่นคือการใช้PCB cutoutโดยใช้การกัดหรือชั้นมิติ

ในภาพด้านล่างแสดงการเชื่อมต่อ Drain pin ที่แยกได้ซึ่งมีระยะห่างที่ปลอดภัยจาก Opto-coupler และ PCB ที่ตัดออกจะขจัดสัญญาณรบกวนจากเส้นทางหรือสัญญาณอื่น ๆ

จุดสำคัญอีกประการหนึ่งคือวงจรไดรเวอร์มักจะมีข้อเสนอแนะหรือเส้นที่รับรู้ (บางครั้งมากกว่าหนึ่งครั้งเช่นสายตรวจวัดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสายรับรู้ขาออก) ซึ่งมีความไวมากและการทำงานของไดรเวอร์ขึ้นอยู่กับการตรวจจับข้อเสนอแนะ ชนิดของใด ๆข้อเสนอแนะหรือสายความรู้สึกที่ควรจะเป็นในระยะสั้นเพื่อหลีกเลี่ยงการมีเพศสัมพันธ์เสียงสายประเภทนี้จำเป็นต้องแยกออกจาก Power การสลับหรือสายที่มีเสียงดังอื่น ๆ เสมอ

ภาพด้านล่างแสดงบรรทัดคำติชมแยกจากออปโตคัปเปลอร์ไปยังไดรเวอร์

ไม่เพียงแค่นี้ แต่วงจรไดรเวอร์ยังสามารถมีส่วนประกอบหลายประเภทเช่นตัวเก็บประจุตัวกรอง RC ที่จำเป็นในการควบคุมการทำงานของวงจรไดรเวอร์ ส่วนประกอบเหล่านั้นจะต้องมีการวางไว้อย่างใกล้ชิดข้ามคนขับ

แนวทางการเปลี่ยนตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลง

Switching Inductor เป็นส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุดในบอร์ดจ่ายไฟรองจากตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ การออกแบบที่ไม่ดีอย่างหนึ่งคือการกำหนดเส้นทางการเชื่อมต่อประเภทใดก็ได้ระหว่างผู้นำในการเหนี่ยวนำ มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะไม่เส้นทางสัญญาณใด ๆ ระหว่างอำนาจหรือแผ่นกรองเหนี่ยวนำ

นอกจากนี้เมื่อใดก็ตามที่ใช้ Transformers ในแหล่งจ่ายไฟโดยเฉพาะใน AC-DC SMPS การใช้หม้อแปลงนี้หลักคือการแยกอินพุตกับเอาต์พุต ระยะห่างเพียงพอระหว่างแผ่นประถมศึกษาและมัธยมศึกษาจะต้องวิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งในการเพิ่มหน้าตัดคือการใช้คัตออฟ PCB โดยใช้ชั้นกัด อย่าใช้การกำหนดเส้นทางใด ๆ ระหว่างสายนำของหม้อแปลง

แนวทางสำหรับสะพานเอาต์พุตและส่วนตัวกรอง

สะพานเอาต์พุตเป็นไดโอด Schottky กระแสสูงที่กระจายความร้อนขึ้นอยู่กับกระแสโหลด ในบางกรณีจำเป็นต้องใช้แผงระบายความร้อน PCBซึ่งจำเป็นต้องสร้างขึ้นใน PCB โดยใช้ระนาบทองแดง ประสิทธิภาพการระบายความร้อนเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ทองแดง PCB และความหนา

ความหนาของทองแดงโดยทั่วไปมีอยู่ 2 ประเภทคือ 35 ไมครอนและ 70 ไมครอน ยิ่งมีความหนามากขึ้นการเชื่อมต่อความร้อนที่ดีขึ้นและพื้นที่ระบายความร้อน PCB ก็จะสั้นลง หาก PCB เป็นแบบสองชั้นและพื้นที่อุ่นร้อนนั้นไม่สามารถใช้ได้ใน PCB เราสามารถใช้ทั้งสองด้านของระนาบทองแดงและสามารถเชื่อมต่อทั้งสองด้านโดยใช้จุดแวะทั่วไป

ภาพด้านล่างเป็นตัวอย่างของฮีทซิงค์ PCB ของไดโอด Schottky ที่สร้างขึ้นในชั้นล่างสุด

ตัวกรองตัวเก็บประจุขวาหลังจากความต้องการไดโอดกีที่จะอยู่อย่างใกล้ชิดทั่วหม้อแปลงหรือเหนี่ยวนำการเปลี่ยนในลักษณะดังกล่าวที่ห่วงอุปทานผ่านไดโอด Inductor, สะพานและตัวเก็บประจุได้รับสั้นมาก ด้วยวิธีดังกล่าวสามารถลดการกระเพื่อมของเอาต์พุตได้

ภาพด้านบนเป็นตัวอย่างของลูปสั้น ๆ จากเอาต์พุตของหม้อแปลงไปยังไดโอดบริดจ์และตัวเก็บประจุตัวกรอง

ลดการเด้งกราวด์สำหรับเลย์เอาต์ PCB SMPS

ประการแรกการเติมดินเป็นสิ่งสำคัญและการแยกระนาบกราวด์ที่แตกต่างกันในวงจรจ่ายไฟเป็นอีกสิ่งที่สำคัญที่สุด

จากมุมมองของวงจรไฟฟ้าแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสามารถมีกราวด์เดียวสำหรับส่วนประกอบทั้งหมด แต่ไม่ใช่ในกรณีระหว่างขั้นตอนการออกแบบ PCB ตามมุมมองการออกแบบ PCB พื้นดินถูกแยกออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือกราวด์พลังงานและส่วนที่สองเป็นแอนะล็อกหรือกราวด์ควบคุม. พื้นที่ทั้งสองนี้มีการเชื่อมต่อที่เหมือนกัน แต่มีความแตกต่างกันมาก อะนาล็อกหรือกราวด์ควบคุมถูกใช้โดยส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับวงจรไดรเวอร์ ส่วนประกอบเหล่านี้ใช้ระนาบกราวด์ที่สร้างเส้นทางการไหลกลับของกระแสไฟฟ้าต่ำในทางกลับกันกราวด์กำลังมีเส้นทางการส่งกลับกระแสสูง ส่วนประกอบไฟฟ้ามีเสียงดังและอาจทำให้เกิดปัญหาการตีกลับของกราวด์ที่ไม่แน่นอนในวงจรควบคุมหากเชื่อมต่อโดยตรงในกราวด์เดียวกัน ภาพด้านล่างแสดงให้เห็นว่าวงจรอนาล็อกและวงจรควบคุมแยกออกจากสายไฟอื่น ๆของ PCB ใน PCB ชั้นเดียวได้อย่างไร

สองส่วนนี้จำเป็นต้องแยกจากกันและควรเชื่อมต่อในภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่ง

นี่เป็นเรื่องง่ายถ้า PCB เป็นสองชั้นเช่นชั้นบนสุดสามารถใช้เป็นพื้นควบคุมและวงจรควบคุมทั้งหมดควรเชื่อมต่อในระนาบกราวด์ทั่วไปในชั้นบนสุด ในทางกลับกันชั้นล่างสามารถใช้เป็นสายดินและส่วนประกอบที่มีเสียงดังทั้งหมดควรใช้ระนาบพื้นนี้ แต่ทั้งสองบริเวณนั้นเป็นการเชื่อมต่อเดียวกันและเชื่อมต่อกันในแผนผัง ตอนนี้สำหรับการเชื่อมต่อชั้นบนและชั้นล่างคุณสามารถใช้ vias สำหรับเชื่อมต่อระนาบพื้นดินทั้งสองในที่เดียว ตัวอย่างเช่นดูภาพด้านล่าง -

ส่วนด้านบนของไดรเวอร์มีตัวเก็บประจุที่เกี่ยวข้องกับตัวกรองพลังงานทั้งหมดที่ใช้ระนาบกราวด์แยกกันเรียกว่า Power GND แต่ส่วนด้านล่างของ IC ไดรเวอร์เป็นส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมทั้งหมดโดยใช้ GND ควบคุมแยกต่างหาก พื้นที่ทั้งสองเป็นการเชื่อมต่อเดียวกัน แต่สร้างแยกกัน จากนั้นการเชื่อมต่อ GND ทั้งสองจะเชื่อมต่อกับ Driver IC

ปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC

ปฏิบัติตามแนวทางและกฎ PCB ตามมาตรฐานการออกแบบ IPC PCB นี้มักจะช่วยลดโอกาสผิดพลาดถ้าออกแบบตามมาตรฐานการออกแบบ PCB ที่อธิบายไว้ในIPC2152 และ IPC-2221B โปรดจำไว้ว่าความกว้างของร่องรอยมีผลโดยตรงต่ออุณหภูมิ และความสามารถในการบรรทุกปัจจุบัน ดังนั้นความกว้างที่ไม่ถูกต้องของร่องรอยอาจทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นและกระแสไฟไม่ดี

ระยะห่างระหว่างสองร่องรอยยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะหลีกเลี่ยงความล้มเหลวที่ไม่แน่นอนหรือข้ามพูดบางครั้ง crossfires ในการประยุกต์ใช้แรงดันสูงที่สูงในปัจจุบัน IPC-9592B อธิบายระยะห่างที่แนะนำระหว่างสายไฟในการออกแบบ PCB ตามแหล่งจ่ายไฟ

การเชื่อมต่อเคลวินสำหรับ Sense Line

การเชื่อมต่อเคลวินเป็นอีกหนึ่งพารามิเตอร์ที่สำคัญในการออกแบบแผงจ่ายไฟเนื่องจากความแม่นยำของการวัดซึ่งส่งผลต่อความสามารถของวงจรควบคุม วงจรควบคุมแหล่งจ่ายไฟจำเป็นต้องมีการวัดบางอย่างเสมอไม่ว่าจะเป็นการตรวจจับกระแสหรือการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าในสายป้อนกลับหรือเส้นรับรู้ การตรวจจับนี้ควรทำจากส่วนประกอบนำไปสู่วิธีที่สัญญาณหรือร่องรอยอื่น ๆ ไม่รบกวนเส้นประสาทสัมผัส การเชื่อมต่อเคลวินช่วยในการบรรลุสิ่งเดียวกันหากเส้นความรู้สึกเป็นคู่ที่แตกต่างกันความยาวจะต้องเหมือนกันสำหรับทั้งการติดตามและการติดตามควรเชื่อมต่อข้ามส่วนนำไปสู่ส่วนประกอบ

ตัวอย่างเช่นการเชื่อมต่อเคลวินได้รับการอธิบายอย่างถูกต้องในแนวทางการออกแบบ PCB ของ Power controllers โดย Texas Instruments

ภาพด้านบนแสดงการตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมโดยใช้การเชื่อมต่อเคลวิน การเชื่อมต่อที่ถูกต้องคือการเชื่อมต่อเคลวินที่เหมาะสมซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบเส้นความรู้สึก เค้าโครง PCB ได้รับอย่างถูกต้องในเอกสารนั้น

เค้าโครง PCB แสดงการเชื่อมต่ออย่างใกล้ชิดระหว่างตัวเก็บประจุเซรามิก 10nF และ 1nF ผ่าน IC ไดรเวอร์หรือคอนโทรลเลอร์ เส้น Sense ยังสะท้อนถึงการเชื่อมต่อเคลวินที่เหมาะสม ชั้นพลังงานภายในเป็นสายต้นทางที่แยกออกจากกันซึ่งเชื่อมต่อกับสายต้นทางเดียวกัน แต่แยกออกจากกันโดยใช้ช่องทางหลายช่องเพื่อลดการเชื่อมต่อสัญญาณรบกวน