- Directrices para filtros de entrada y asociados
- Directrices para el circuito del conductor y el circuito de control
- Directrices para la conmutación de inductores y transformadores
- Directrices para la sección de filtro y puente de salida
- Reducción del rebote en el suelo para diseños de PCB SMPS
- Siga los estándares de IPC
- Conexión Kelvin para Sense Line
La fuente de alimentación conmutada es una topología de fuente de alimentación ampliamente utilizada en electrónica de potencia. Ya sea una máquina CNC complicada o un dispositivo electrónico compacto, siempre que el dispositivo esté conectado a algún tipo de fuente de alimentación, un circuito SMPS siempre es obligatorio. La unidad de fuente de alimentación incorrecta o defectuosa podría provocar un gran fallo del producto, independientemente de lo bien diseñado y funcional que esté el circuito. Ya hemos diseñado bastantes circuitos de fuente de alimentación SMPS como el SMPS 12V 1A y el SMPS 5V 2A utilizando Power Integration y Viper controller IC respectivamente.
Cada fuente de alimentación conmutada utiliza un interruptor como un MOSFET o un transistor de potencia que se enciende o apaga constantemente según la especificación del controlador de conmutación. La frecuencia de conmutación de este estado ON y OFF varía desde unos pocos cientos de kilohercios hasta un rango de megahercios. En un módulo de conmutación de alta frecuencia, las tácticas de diseño de PCB son mucho más esenciales y el diseñador a veces las pasa por alto. Por ejemplo, un diseño deficiente de la PCB podría provocar la falla de todo el circuito y una PCB bien diseñada podría resolver muchos eventos desagradables.
Como regla general, este tutorial proporcionará algunos aspectos detallados de importantes pautas de diseño de PCB que son esenciales para cualquier tipo de diseño de PCB basado en fuente de alimentación conmutada. También puede consultar las Técnicas de diseño para la reducción de EMI en circuitos SMPS.
Lo primero es lo primero, para diseñar una fuente de alimentación conmutada, es necesario tener una indicación clara de los requisitos y especificaciones de los circuitos. La fuente de alimentación tiene cuatro partes importantes.
- Filtros de entrada y salida.
- Circuito del controlador y componentes asociados para el controlador, especialmente el circuito de control.
- Conmutación de inductores o transformadores
- Output Bridge y los filtros asociados.
En un diseño de PCB, todos estos segmentos deben estar separados en PCB y requieren una atención especial. Discutiremos cada segmento en detalle en este artículo.
Directrices para filtros de entrada y asociados
La entrada y la sección de filtro es donde las líneas de suministro ruidosas o no reguladas se conectan al circuito. Por lo tanto, los condensadores del filtro de entrada deben estar situados a una distancia uniforme del conector de entrada y el circuito del controlador. Es fundamental utilizar siempre una conexión corta para conectar la sección de entrada con el circuito del controlador.
Las secciones resaltadas en la imagen de arriba representan la ubicación cercana de los condensadores de filtro.
Directrices para el circuito del conductor y el circuito de control
El controlador consiste principalmente en un MOSFET interno o, a veces, el MOSFET de conmutación está conectado externamente. La línea de conmutación siempre se enciende y apaga en una frecuencia muy alta y crea una línea de suministro muy ruidosa. Esta parte siempre debe estar separada de todas las demás conexiones.
Por ejemplo, la línea de CC de alto voltaje que va directamente al transformador (para SMPS flyback) o la línea de CC que va directamente al inductor de potencia (reguladores de conmutación basados en topología Buck o Boost) debe estar separada.
En la imagen de abajo, la señal resaltada es la línea de CC de alto voltaje. La señal se enruta de tal manera que se separa de otras señales.
Una de las líneas más ruidosas en un diseño de fuente de alimentación de modo conmutado es el pin de drenaje del controlador, ya sea un diseño de retorno de CA a CC o puede ser una fuente de alimentación de conmutación de baja potencia basada en topología buck, boost o buck-boost diseño. Siempre debe estar separado de todas las demás conexiones y también debe ser muy corto porque este tipo de enrutamiento generalmente transporta señales de muy alta frecuencia. La mejor manera de aislar esta línea de señal de otras es usar un corte de PCB usando capas de fresado o de dimensión.
En la siguiente imagen, se muestra una conexión de clavija de drenaje aislada que tiene una distancia segura del optoacoplador, así como el corte de la PCB eliminará cualquier interferencia de otras rutas o señales.
Otro punto importante es que un circuito de controlador casi siempre tiene retroalimentación o línea detectada (algunas veces más de una, como línea de detección de voltaje de entrada, línea de detección de salida) que es muy sensible y la operación del controlador depende completamente de la detección de la retroalimentación. Cualquier tipo de línea de retroalimentación o detección debe ser más corta para evitar el acoplamiento de ruido. Este tipo de líneas siempre deben estar separadas de las líneas de alimentación, conmutación o cualquier otra línea ruidosa.
La siguiente imagen muestra una línea de retroalimentación separada del optoacoplador al controlador.
No solo esto, sino que un circuito de controlador también puede tener varios tipos de componentes, como condensadores, filtros RC que se requieren para controlar las operaciones del circuito de controlador. Esos componentes deben colocarse cerca del controlador.
Directrices para la conmutación de inductores y transformadores
El inductor de conmutación es el componente más grande disponible en cualquier placa de fuente de alimentación después de los voluminosos condensadores. Un mal diseño es encaminar cualquier tipo de conexión entre los cables del inductor. Es esencial no enrutar ninguna señal entre las potencias o las almohadillas del inductor de filtro.
Además, siempre que se utilicen transformadores en una fuente de alimentación, especialmente en AC-DC SMPS, el uso principal de este transformador es aislar la entrada con la salida. Se requiere una distancia adecuada entre las almohadillas primarias y secundarias. Una mejor manera de aumentar la fuga es aplicando un corte de PCB usando una capa de fresado. Nunca use ningún tipo de enrutamiento entre los cables del transformador.
Directrices para la sección de filtro y puente de salida
El puente de salida es un diodo Schottky de alta corriente que disipa el calor dependiendo de la corriente de carga. En algunos casos, se requieren disipadores de calor de PCB que deben crearse en el mismo PCB utilizando el plano de cobre. La eficiencia del disipador de calor es proporcional al área y al grosor de cobre de la PCB.
Hay dos tipos de espesores de cobre comúnmente disponibles en PCB, 35 micrones y 70 micrones. Cuanto mayor sea el grosor, mejor será la conectividad térmica y el área del disipador de calor de la PCB se acortará. Si el PCB es de doble capa y el espacio calentado no está disponible en un PCB, se pueden usar ambos lados del plano de cobre y se pueden conectar esos dos lados usando vías comunes.
La siguiente imagen es un ejemplo de disipador de calor de PCB de un diodo Schottky que se crea en la capa inferior.
El condensador del filtro justo después del diodo Schottky debe colocarse muy cerca del transformador o del inductor de conmutación de tal manera que el circuito de suministro a través del inductor, el diodo puente y el condensador se acorte mucho. De esta manera, se puede reducir la ondulación de salida.
La imagen de arriba es un ejemplo de un bucle corto desde la salida del transformador hasta el diodo puente y el condensador del filtro.
Reducción del rebote en el suelo para diseños de PCB SMPS
En primer lugar, el relleno de tierra es esencial y la separación de diferentes planos de tierra en un circuito de suministro de energía es otra cosa más importante.
Desde la perspectiva de los circuitos, una fuente de alimentación conmutada puede tener una única tierra común para todos los componentes, pero no es el caso durante la fase de diseño de la PCB. Según la perspectiva del diseño de PCB, el suelo se divide en dos partes. La primera parte es tierra de potencia y la segunda parte es tierra analógica o de control. Estos dos terrenos tienen la misma conexión pero hay una gran diferencia. Los componentes asociados con el circuito del controlador utilizan tierra analógica o de control. Esos componentes utilizan un plano de tierra que crea una ruta de retorno de baja corriente, por otro lado, la tierra de potencia lleva la ruta de retorno de alta corriente. Los componentes de potencia son ruidosos y podrían provocar problemas de rebote de tierra inciertos en los circuitos de control si están conectados directamente en la misma tierra. La siguiente imagen muestra cómo los circuitos analógicos y de control están completamente aislados de otras líneas eléctricas de la PCB en una PCB de una sola capa.
Estas dos porciones deben estar separadas y deben estar conectadas en una región particular.
Esto es fácil si la PCB es de doble capa, ya que la capa superior se puede usar como tierra de control y todos los circuitos de control deben estar conectados en el plano de tierra común en la capa superior. Por otro lado, la capa inferior se puede utilizar como toma de tierra y todos los componentes ruidosos deben utilizar este plano de tierra. Pero esos dos motivos son la misma conexión y están conectados en el esquema. Ahora, para conectar las capas superior e inferior, se pueden utilizar vías para conectar ambos planos de tierra en un solo lugar. Por ejemplo, vea la imagen de abajo:
La parte anterior del controlador tiene todos los condensadores relacionados con el filtro de potencia que utilizan un plano de tierra por separado llamado Power GND, pero la parte inferior del controlador IC son todos los componentes relacionados con el control, utilizando un control GND separado. Ambos terrenos tienen la misma conexión pero se crean por separado. Luego, ambas conexiones GND se unieron a través del controlador IC.
Siga los estándares de IPC
Siga las pautas y reglas de PCB según el estándar de diseño de PCB de IPC. Esto siempre minimiza las posibilidades de error si el diseñador sigue el estándar de diseño de PCB descrito en IPC2152 e IPC-2221B. Recuerde principalmente que el ancho de las trazas afecta directamente la temperatura y la capacidad de carga de corriente. Por lo tanto, el ancho incorrecto de las trazas podría provocar un aumento de temperatura y un flujo de corriente deficiente.
El espaciado entre dos trazos también es importante para evitar fallas inciertas o interferencias, a veces incendios cruzados en aplicaciones de alta tensión y alta corriente. IPC-9592B describe el espacio recomendado entre las líneas eléctricas en el diseño de PCB basado en fuente de alimentación.
Conexión Kelvin para Sense Line
La conexión Kelvin es otro parámetro importante en el diseño de la placa de la fuente de alimentación, debido a la precisión de la medición que afecta la capacidad del circuito de control. Un circuito de control de fuente de alimentación siempre requiere algún tipo de medición, ya sea detección de corriente o detección de voltaje en la línea de retroalimentación o detección. Esta detección debe realizarse desde los cables del componente de tal manera que otras señales o trazas no interfieran con la línea de detección. La conexión Kelvin ayuda a lograr lo mismo, si la línea de detección es un par diferencial, la longitud debe ser la misma para ambos trazos y el trazo debe conectarse a través de los cables del componente.
Por ejemplo, la conexión Kelvin se describe correctamente en las pautas de diseño de PCB de los controladores de potencia de Texas Instruments.
La imagen de arriba muestra la detección de corriente adecuada utilizando una conexión Kelvin. La conexión correcta es la conexión kelvin adecuada que será esencial para el diseño de la línea sensora. El diseño de la placa de circuito impreso también se proporciona correctamente en ese documento.
El diseño de la PCB muestra una conexión cercana entre el condensador cerámico de 10nF y 1nF a través del controlador o controlador IC. La línea Sense también refleja la conexión kelvin adecuada. La capa de energía interna es una línea de fuente separada que está conectada con las mismas líneas de fuente separadas pero con múltiples vías para reducir el acoplamiento de ruido.