Directives de conception de disposition de circuits imprimés pour les circuits d'alimentation à découpage

L'alimentation à découpage est une topologie d'alimentation largement utilisée dans l'électronique de puissance. Qu'il s'agisse d'une machine CNC compliquée ou d'un appareil électronique compact, tant que l'appareil est connecté à une sorte d'alimentation électrique, un circuit SMPS est toujours obligatoire. Un bloc d'alimentation inadéquat ou défectueux peut entraîner une grave panne du produit, quelle que soit la conception et le fonctionnement du circuit. Nous avons déjà conçu un certain nombre de circuits d'alimentation SMPS comme le SMPS 12V 1A et le SMPS 5V 2A en utilisant respectivement l'intégration de puissance et le contrôleur IC Viper.

Chaque alimentation à découpage utilise un interrupteur tel qu'un MOSFET ou un transistor de puissance qui est constamment allumé ou éteint en fonction des spécifications du pilote de commutation. La fréquence de commutation de cet état ON et OFF varie de quelques centaines de kilohertz à une plage de mégahertz. Dans un tel module de commutation haute fréquence, les tactiques de conception de PCB sont beaucoup plus essentielles et elles sont parfois négligées par le concepteur. Par exemple, une mauvaise conception de PCB pourrait conduire à une défaillance de l'ensemble du circuit et un PCB bien conçu pourrait résoudre de nombreux événements désagréables.

En règle générale, ce didacticiel fournira quelques aspects détaillés des directives de conception de PCB importantes qui sont essentielles pour tout type de conception de PCB à base d'alimentation à découpage. Vous pouvez également consulter les techniques de conception pour la réduction des EMI dans les circuits SMPS.

Tout d'abord, pour concevoir une alimentation à découpage, il faut avoir une indication claire des exigences et des spécifications des circuits. L'alimentation comporte quatre parties importantes.

1. Filtres d'entrée et de sortie.
2. Circuit de pilote et composants associés pour le pilote, en particulier circuit de commande.
3. Commutation d'inducteurs ou de transformateurs
4. Output Bridge et les filtres associés.

Dans une conception de PCB, tous ces segments doivent être séparés en PCB et nécessitent une attention particulière. Nous discuterons de chaque segment en détail dans cet article.

Directives pour les filtres d'entrée et associés

L'entrée et la section de filtre sont l'endroit où les lignes d'alimentation bruyantes ou non régulées sont connectées au circuit. Par conséquent, les condensateurs de filtre d'entrée doivent être situés à une distance régulièrement espacée du connecteur d'entrée et du circuit d'attaque. Il est essentiel de toujours utiliser une courte longueur de connexion pour connecter la section d'entrée avec le circuit d'attaque.

Les sections en surbrillance dans l'image ci-dessus représentent le placement proche des condensateurs de filtrage.

Directives pour les circuits de commande et le circuit de commande

Le pilote se compose principalement d'un MOSFET interne ou parfois le MOSFET de commutation est connecté en externe. La ligne de commutation est toujours activée et désactivée à très haute fréquence et crée une ligne d'alimentation très bruyante. Cette partie doit toujours être séparée de toutes les autres connexions.

Par exemple, la ligne CC haute tension qui va directement au transformateur (pour SMPS flyback) ou la ligne CC qui va directement à l'inductance de puissance (régulateurs de commutation basés sur la topologie Buck ou Boost) doit être séparée.

Dans l'image ci-dessous, le signal en surbrillance est la ligne CC haute tension. Le signal est acheminé de telle manière qu'il est séparé des autres signaux.

L'une des lignes les plus bruyantes dans une conception d'alimentation à découpage est la broche de drain du pilote, qu'il s'agisse d'une conception de retour CA à CC ou d'une alimentation à découpage basse puissance basée sur une topologie buck, boost ou buck-boost. conception. Il doit toujours être séparé de toutes les autres connexions et doit être très court car ce type de routage transporte généralement des signaux à très haute fréquence. La meilleure façon d'isoler cette ligne de signal des autres est d'utiliser la découpe de PCB en utilisant des couches de fraisage ou de dimension.

Dans l'image ci-dessous, une connexion de broche de vidange isolée est montrée qui a une distance de sécurité de l'optocoupleur ainsi que la découpe du PCB supprimera toute interférence provenant d'autres routages ou signaux.

Un autre point important est qu'un circuit d'attaque a presque toujours une ligne de rétroaction ou une ligne détectée (parfois plus d'une, comme une ligne de détection de tension d'entrée, une ligne de détection de sortie) qui est très sensible et le fonctionnement du conducteur dépend entièrement de la détection de la rétroaction. Tout type de rétroaction ou de ligne de détection doit être plus court pour éviter le couplage de bruit. Ces types de lignes doivent toujours être séparés de l'alimentation, de la commutation ou de toute autre ligne bruyante.

L'image ci-dessous montre une ligne de rétroaction distincte de l'optocoupleur au pilote.

Non seulement cela, mais un circuit d'attaque peut également avoir plusieurs types de composants tels que des condensateurs, des filtres RC qui sont nécessaires pour contrôler les opérations du circuit d'attaque. Ces composants doivent être placés étroitement à travers le pilote.

Directives pour la commutation des inductances et des transformateurs

L'inductance de commutation est le plus grand composant disponible dans n'importe quelle carte d'alimentation après les condensateurs volumineux. Une mauvaise conception consiste à acheminer tout type de connexion entre les fils de l'inducteur. Il est essentiel de ne pas acheminer de signaux entre les alimentations ou les plots d'inductance du filtre.

De plus, chaque fois que des transformateurs sont utilisés dans une alimentation, en particulier dans les SMPS AC-DC, l'utilisation principale de ce transformateur est d'isoler l'entrée avec la sortie. Une distance adéquate entre les électrodes primaire et secondaire est requise. Une meilleure façon d' augmenter la ligne de fuite est d'appliquer une coupure PCB à l'aide d'une couche de fraisage. N'utilisez jamais de cheminement entre les fils du transformateur.

Directives pour la section Pont de sortie et Filtre

Le pont de sortie est une diode Schottky à courant élevé qui dissipe la chaleur en fonction du courant de charge. Dans quelques cas, des dissipateurs de chaleur PCB sont nécessaires et doivent être créés dans le PCB lui-même en utilisant le plan de cuivre. L'efficacité du dissipateur thermique est proportionnelle à la surface et à l'épaisseur du cuivre du PCB.

Il existe deux types d'épaisseur de cuivre couramment disponibles dans les PCB, 35 microns et 70 microns. Le plus l'épaisseur est, la connectivité meilleure thermique et la zone de dissipateur de chaleur PCB se raccourcit. Si le PCB est une double couche et que l'espace chauffé n'est quelque peu pas disponible dans un PCB, on peut utiliser les deux côtés du plan de cuivre et peut connecter ces deux côtés en utilisant des vias communs.

L'image ci-dessous est un exemple de dissipateur thermique PCB d'une diode Schottky créée dans la couche inférieure.

Le condensateur de filtre juste après la diode Schottky doit être placé très étroitement à travers le transformateur ou l'inductance de commutation de telle sorte que la boucle d'alimentation à travers l'inductance, la diode de pont et le condensateur soit très courte. De cette manière, l'ondulation de sortie peut être réduite.

L'image ci-dessus est un exemple d'une boucle courte de la sortie du transformateur à la diode de pont et au condensateur de filtre.

Réduction du rebond au sol pour les configurations de circuits imprimés SMPS

Premièrement, le remplissage du sol est essentiel et la séparation des différents plans de masse dans un circuit d'alimentation est une autre chose très importante.

Du point de vue des circuits, une alimentation à découpage peut avoir une seule masse commune pour tous les composants, mais ce n'est pas le cas pendant la phase de conception du PCB. Selon la perspective de conception de PCB, le sol est séparé en deux parties. La première partie est la masse d'alimentation et la seconde partie est la masse analogique ou de contrôle. Ces deux motifs ont la même connexion mais il y a une grande différence. La masse analogique ou de contrôle est utilisée par les composants associés au circuit d'attaque. Ces composants utilisent un plan de masse qui crée un chemin de retour de courant faible, d'autre part, la masse d'alimentation transporte le chemin de retour de courant élevé. Les composants d'alimentation sont bruyants et peuvent entraîner des problèmes de rebond de terre incertains dans les circuits de commande s'ils sont directement connectés à la même terre. L'image ci-dessous montre comment les circuits analogiques et de contrôle sont complètement isolés des autres lignes électriques du PCB dans un PCB monocouche.

Ces deux parties doivent être séparées et doivent être connectées dans une région particulière.

C'est facile si le PCB est une double couche, comme la couche supérieure peut être utilisée comme masse de contrôle et tous les circuits de contrôle doivent être connectés dans le plan de masse commun dans la couche supérieure. D'autre part, la couche inférieure peut être utilisée comme masse d'alimentation et tous les composants bruyants doivent utiliser ce plan de masse. Mais ces deux motifs sont la même connexion et connectés dans le schéma. Désormais, pour connecter les couches supérieure et inférieure, des vias peuvent être utilisés pour connecter les deux plans de masse en un seul endroit. Par exemple, voir l'image ci-dessous -

La partie ci-dessus du pilote a tous les condensateurs liés au filtre de puissance qui utilisent un plan de masse séparément appelé Power GND, mais la partie ci-dessous du circuit intégré de pilote est tous les composants liés au contrôle, en utilisant un contrôle GND séparé. Les deux motifs sont la même connexion mais créés séparément. Les deux connexions GND se sont ensuite jointes à travers le pilote IC.

Suivez les normes IPC

Suivez les directives et règles de PCB conformément à la norme de conception de PCB IPC. Cela minimise toujours les risques d'erreur si le concepteur suit la norme de conception de PCB décrite dans IPC2152 et IPC-2221B. Rappelez-vous principalement que la largeur des traces affecte directement la température et la capacité de transport du courant. Par conséquent, une mauvaise largeur des traces pourrait entraîner une augmentation de la température et une mauvaise circulation du courant.

L' espacement entre deux traces est également important pour éviter une défaillance incertaine ou une diaphonie, parfois des feux croisés dans une application haute tension à courant élevé. IPC-9592B décrit l'espacement recommandé entre les lignes d'alimentation dans la conception de circuits imprimés basés sur l'alimentation.

Connexion Kelvin pour Sense Line

La connexion Kelvin est un autre paramètre important dans la conception de la carte d'alimentation, en raison de la précision de la mesure qui affecte la capacité du circuit de commande. Un circuit de commande d'alimentation nécessite toujours un certain type de mesures, qu'il s'agisse de détection de courant ou de détection de tension dans la ligne de retour ou de détection. Cette détection doit être effectuée à partir des conducteurs du composant de manière à ce que d'autres signaux ou traces n'interfèrent pas avec la ligne de détection. La connexion Kelvin aide à obtenir la même chose, si la ligne de détection est une paire différentielle, la longueur doit être la même pour les deux traces et la trace doit se connecter à travers les fils du composant.

Par exemple, la connexion Kelvin est correctement décrite dans les directives de conception de circuits imprimés des contrôleurs de puissance de Texas Instruments.

L'image ci-dessus montre une détection de courant appropriée à l'aide d'une connexion Kelvin. La bonne connexion est la bonne connexion Kelvin qui sera essentielle pour la conception de la ligne de détection. La disposition du PCB est également donnée correctement dans ce document.

La disposition du PCB montre une connexion étroite entre le condensateur céramique 10nF et 1nF à travers le circuit intégré du pilote ou du contrôleur. La ligne Sense reflète également la bonne connexion Kelvin. La couche de puissance intérieure est une ligne source séparée qui est connectée avec les mêmes lignes source mais séparées en utilisant plusieurs vias pour réduire le couplage de bruit.