Diretrizes de design de layout de PCB para circuitos de fonte de alimentação comutada

A fonte de alimentação chaveada é uma topologia de fonte de alimentação amplamente usada em eletrônica de potência. Seja uma máquina CNC complicada ou um dispositivo eletrônico compacto, desde que o dispositivo esteja conectado a algum tipo de fonte de alimentação, um circuito SMPS é sempre obrigatório. Unidade de fonte de alimentação inadequada ou com defeito pode levar a uma grande falha do produto, independentemente de quão bem projetado e funcional o circuito possa ser. Já projetamos alguns circuitos de fonte de alimentação SMPS como o 12V 1A SMPS e o 5V 2A SMPS usando a integração de energia e o IC do controlador Viper respectivamente.

Cada fonte de alimentação chaveada usa um interruptor como um MOSFET ou um transistor de potência que constantemente liga ou desliga dependendo da especificação do driver de chaveamento. A frequência de chaveamento deste estado ON e OFF varia de algumas centenas de quilohertz a faixa de megahertz. Em tal módulo de comutação de alta frequência, as táticas de design de PCB são muito mais essenciais e às vezes são esquecidas pelo projetista. Por exemplo, um projeto de PCB ruim pode levar à falha de todo o circuito, assim como um PCB bem projetado pode resolver muitos eventos desagradáveis.

Como regra geral, este tutorial fornecerá alguns aspectos detalhados de importantes diretrizes de layout de design de PCB que são essenciais para qualquer tipo de design de PCB baseado em fonte de alimentação comutada. Você também pode verificar as Técnicas de Projeto para Redução de EMI em Circuitos SMPS.

Em primeiro lugar, para projetar uma fonte de alimentação comutada, é necessário ter uma indicação clara dos requisitos e especificações do circuito. A fonte de alimentação possui quatro partes importantes.

Filtros de entrada e saída.
Circuito de driver e componentes associados para o driver, especialmente circuito de controle.
Comutação de indutores ou transformadores
Ponte de saída e os filtros associados.

Em um projeto de PCB, todos esses segmentos precisam ser separados em PCB e requerem atenção especial. Discutiremos cada segmento em detalhes neste artigo.

Diretrizes para filtros de entrada e associados

A entrada e a seção de filtro é onde as linhas de alimentação barulhentas ou desreguladas são conectadas ao circuito. Portanto, os capacitores do filtro de entrada precisam estar situados a uma distância uniformemente espaçada do conector de entrada e do circuito do driver. É essencial usar sempre um comprimento curto de conexão para conectar a seção de entrada ao circuito do driver.

As seções destacadas na imagem acima estão representando o posicionamento próximo dos capacitores do filtro.

Diretrizes para Circuito Driver e Circuito de Controle

O driver consiste principalmente em um MOSFET interno ou, às vezes, o MOSFET de comutação é conectado externamente. A linha de comutação sempre é LIGADA e DESLIGADA em frequência muito alta e cria uma linha de alimentação muito ruidosa. Essa parte sempre precisa ser separada de todas as outras conexões.

Por exemplo, a linha CC de alta tensão que vai diretamente para o transformador (para flyback SMPS) ou a linha CC que vai diretamente para o indutor de energia (reguladores de chaveamento baseados na topologia Buck ou Boost) deve ser separada.

Na imagem abaixo, o sinal destacado é a linha CC de alta tensão. O sinal é encaminhado de forma que seja separado de outros sinais.

Uma das linhas mais barulhentas em um projeto de fonte de alimentação comutada é o pino de drenagem do driver, seja um projeto flyback CA para CC ou pode ser uma fonte de alimentação de comutação de baixa potência baseada em topologia de aumento ou redução Projeto. Ele sempre precisa estar separado de todas as outras conexões, bem como precisa ser muito curto, porque esse tipo de roteamento geralmente transporta sinais de frequência muito alta. A melhor maneira de isolar essa linha de sinal de outras é usar recorte PCB usando fresamento ou camadas de dimensão.

Na imagem abaixo, uma conexão de pino de drenagem isolada é mostrada a uma distância segura do opto-acoplador, bem como o corte da placa de circuito impresso removerá qualquer interferência de outros roteamentos ou sinais.

Outro ponto importante é, um circuito de driver quase sempre tem feedback ou linha detectada (algumas vezes mais de uma, como linha de detecção de tensão de entrada, linha de detecção de saída) que é muito sensível e a operação do driver é totalmente dependente da detecção do feedback. Qualquer tipo de feedback ou linha de detecção deve ter comprimento menor para evitar o acoplamento de ruído. Esses tipos de linhas sempre precisam ser separados da alimentação, comutação ou qualquer outra linha com ruído.

A imagem abaixo mostra uma linha de feedback separada do optoacoplador para o driver.

Não apenas isso, mas um circuito driver também pode ter vários tipos de componentes, como capacitores, filtros RC que são necessários para controlar as operações do circuito driver. Esses componentes precisam ser colocados próximos ao driver.

Diretrizes para chaveamento de indutores e transformadores

O indutor de chaveamento é o maior componente disponível em qualquer placa de fonte de alimentação depois de capacitores volumosos. Um projeto ruim é rotear qualquer tipo de conexão entre os condutores do indutor. É essencial não rotear nenhum sinal entre as potências ou as almofadas do indutor do filtro.

Além disso, sempre que transformadores são usados em uma fonte de alimentação, especialmente em AC-DC SMPS, o principal uso desse transformador é isolar a entrada com a saída. É necessária uma distância adequada entre os eletrodos primários e secundários. Uma melhor maneira de aumentar o escoamento é aplicando um corte de PCB usando uma camada de fresagem. Nunca use qualquer tipo de roteamento entre os cabos do transformador.

Diretrizes para ponte de saída e seção de filtro

A ponte de saída é um diodo Schottky de alta corrente que dissipa o calor dependendo da corrente de carga. Em alguns casos, os dissipadores de calor do PCB são necessários e precisam ser criados no próprio PCB usando o plano de cobre. A eficiência do dissipador de calor é proporcional à área e espessura do cobre do PCB.

Existem dois tipos de espessura de cobre comumente disponíveis em PCBs, 35 mícrons e 70 mícrons. Quanto maior for a espessura, melhor será a conectividade térmica e a área do dissipador de calor do PCB será reduzida. Se o PCB for uma camada dupla e o espaço aquecido não estiver disponível em um PCB, pode-se usar ambos os lados do plano de cobre e conectar esses dois lados usando vias comuns.

A imagem abaixo é um exemplo de dissipador de calor PCB de um diodo Schottky criado na camada inferior.

O capacitor de filtro logo após o diodo Schottky deve ser colocado bem próximo ao transformador ou indutor de chaveamento, de forma que o circuito de alimentação através do indutor , diodo ponte e capacitor fique muito curto. Dessa forma, a ondulação da saída pode ser reduzida.

A imagem acima é um exemplo de um circuito curto da saída do transformador ao diodo ponte e ao capacitor de filtro.

Reduzindo o salto de solo para layouts de SMPS PCB

Em primeiro lugar, o aterramento é essencial e separar diferentes planos de aterramento em um circuito de alimentação é outra coisa mais importante.

Do ponto de vista do circuito, uma fonte de alimentação comutada pode ter um único aterramento comum para todos os componentes, mas não é o caso durante a fase de design do PCB. De acordo com a perspectiva do projeto PCB, o solo é separado em duas partes. A primeira parte é o aterramento de energia e a segunda parte é analógica ou de controle. Esses dois fundamentos têm a mesma conexão, mas há uma grande diferença. O terra analógico ou de controle é usado pelos componentes que estão associados ao circuito do driver. Esses componentes usam um plano de aterramento que cria um caminho de retorno de baixa corrente, por outro lado, o aterramento de energia carrega o caminho de retorno de alta corrente. Os componentes de energia são barulhentos e podem levar a problemas de salto de aterramento incertos nos circuitos de controle se eles estiverem conectados diretamente no mesmo aterramento. A imagem abaixo mostra como os circuitos analógicos e de controle são completamente isolados de outras linhas de energia do PCB em um PCB de camada única.

Essas duas partes precisam ser separadas e devem ser conectadas em uma região específica.

Isso é fácil se o PCB for uma camada dupla, como se a camada superior pudesse ser usada como um terra de controle e todos os circuitos de controle deveriam ser conectados no plano de terra comum na camada superior. Por outro lado, a camada inferior pode ser usada como um aterramento de energia e todos os componentes ruidosos devem usar este plano de aterramento. Mas esses dois fundamentos são a mesma conexão e conectados no esquema. Agora, para conectar as camadas superior e inferior, as vias podem ser usadas para conectar os dois planos de solo em um único lugar. Por exemplo, veja a imagem abaixo -

A parte acima do driver tem todos os capacitores relacionados ao filtro de potência que estão usando um plano de aterramento separadamente chamado Power GND, mas a parte inferior do IC do driver é todos os componentes relacionados ao controle, usando um GND de controle separado. Ambos os aterramentos são a mesma conexão, mas criados separadamente. A conexão GND então se juntou ao IC do driver.

Siga os padrões do IPC

Siga as diretrizes e regras do PCB de acordo com o padrão de design do PCB do IPC. Isso sempre minimiza as chances de erro se o projetista seguir o padrão de projeto de PCB descrito em IPC2152 e IPC-2221B. Lembre-se principalmente de que a largura dos traços está afetando diretamente a temperatura e a capacidade de carga de corrente. Portanto, a largura incorreta dos traços pode levar a um aumento de temperatura e fluxo de corrente insuficiente.

O espaçamento entre dois traços também é importante para evitar falha incerta ou diafonia, às vezes fogo cruzado em aplicações de alta tensão e alta corrente. O IPC-9592B descreve o espaçamento recomendado entre as linhas de energia no projeto de PCB baseado em fonte de alimentação.

Conexão Kelvin para Sense Line

A conexão Kelvin é outro parâmetro importante no projeto da placa de fonte de alimentação, devido à precisão da medição que afeta a capacidade do circuito de controle. Um circuito de controle de fonte de alimentação sempre requer algum tipo de medição, seja detecção de corrente ou detecção de tensão no feedback ou na linha de detecção. Esta detecção deve ser feita a partir dos terminais do componente de forma que outros sinais ou rastros não interfiram com a linha de detecção. A conexão Kelvin ajuda a conseguir o mesmo, se a linha de detecção for um par diferencial, o comprimento precisa ser o mesmo para os traços e o traço deve se conectar entre os terminais do componente.

Por exemplo, a conexão Kelvin é adequadamente descrita nas diretrizes de design de PCB dos controladores de energia da Texas Instruments.

A imagem acima está mostrando a detecção de corrente adequada usando uma conexão Kelvin. A conexão certa é a conexão Kelvin adequada que será essencial para o projeto da linha de sentido. O layout do PCB também é fornecido corretamente nesse documento.

O layout do PCB mostra uma conexão próxima entre o capacitor de cerâmica 10nF e 1nF através do driver ou controlador IC. A linha Sense também está refletindo a conexão Kelvin adequada. A camada de energia interna é uma linha de fonte separada que é conectada com as mesmas, mas linhas de fonte separadas usando várias vias para reduzir o acoplamento de ruído.