Obecnie dość często można znaleźć aplikacje elektroniczne, które potrzebują pięciu lub więcej oddzielnych szyn zasilających o różnych właściwościach elektrycznych i wydajnościach prądowych. Wymagania te komplikują konstrukcję zasilacza, pierwszego elementu urządzenia, od którego zależy prawidłowe działanie, niezawodność i żywotność. W poniższym artykule przyjrzymy się głównym trudnościom, z jakimi borykają się inżynierowie podczas projektowania płytki drukowanej zasilacza impulsowego AC/DC, takim jak integralność sygnału i linii zasilającej, zakłócenia elektromagnetyczne, stabilność napięcia wyjściowego i zarządzanie temperaturą. Postępując zgodnie z kilkoma prostymi wskazówkami zaproponowanymi w tym materiale, osoba zainteresowana będzie w stanie przewidzieć tego typu problemy, zapobiegając ich negatywnym skutkom w projekcie płytki drukowanej.
Rodzaje zasilaczy AC/DC
Kiedy trzeba wybrać zasilacz AC/DC, który najlepiej odpowiada wymaganiom projektu, należy wziąć pod uwagę różne kluczowe czynniki, w tym:
* Typ (niestandardowy lub zintegrowany): koncept oparty wyłącznie na elementach dyskretnych lub na zintegrowanych stabilizatorach bądź przetwornicach;
* Technologia: zasilacz liniowy lub impulsowy;
* Charakterystyka elektryczna: zakres napięć wejściowych, typ napięcia wyjściowego (stałe lub zmienne, pojedyncze lub wielokrotne), moc wyjściowa, sprawność i inne parametry;
* Charakterystyka mechaniczna: otwarta lub zamknięta konstrukcja obudowy, rozmiar, waga, system chłodzenia itp.
Jeśli chodzi o pierwszy punkt, można powiedzieć, że w wielu przypadkach najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie zintegrowanych urządzeń, które oferują różne korzyści. Mowa tu o uproszczeniu projektu, zmniejszeniu ilości potrzebnych elementów i skróceniu czasu wprowadzenia produktu na rynek. A także o dostępności zintegrowanych funkcji zabezpieczających i diagnostycznych. Jednak w kwestii niektórych zastosowań dużej mocy, systemach RF lub niszowych aplikacjach może być wymagany projekt bazujący wyłącznie na dyskretnych elementach w zasilaczu.
Jeśli chodzi o spożytkowaną technologię, wybór między jednostką liniową lub impulsową (znaną również jako SMPS, skrót od Switched Mode Power Supply) zależy od wymagań konkretnej aplikacji. Technologię liniową można uznać za najstarszą, ale nie przestarzałą technikę konwersji. Chociaż liniowy zasilacz AC/DC ma pewne wady, takie jak ograniczona sprawność i wynikające z tego straty mocy w postaci ciepła, nadal jest z powodzeniem stosowany w aplikacjach, w których wysoka niezawodność, niewielki poziom szumu, szybki powrót do zasilania po awarii w danym ujęciu i krótki czas reakcji są kluczowe. Dodatkowo układy liniowe mają o wiele niższy zakres emisji promieniowania elektromagnetycznego, co jest istotne w sporej liczbie zastosowań. Ważną klasę tych jednostek reprezentują stabilizatory LDO (Low DropOut). Jeśli chcemy zmaksymalizować sprawność LDO, trzeba zminimalizować różnicę między napięciem wejściowym a stabilizowanym wyjściowym. Ponadto preferowane jest wybieranie stabilizatorów w obudowach o niskim oporze cieplnym, które zapobiegają jego szybkiemu przegrzaniu i operowaniu powyżej optymalnej temperatury pracy układu.
Zasilacze impulsowe stały się standardem odniesienia dla przetwarzania napięcia zmiennego na stałe. Ten typ konwersji jest nieliniowy i zwykle działa w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Znaczy to, że wykorzystuje sygnał sprzężenia zwrotnego do utrzymania stabilizacji. Chociaż stabilizatory przełączające są preferowane z punktu widzenia sprawności i jakości, ich konstrukcja może być rozbudowana. Jako że obejmuje wiele urządzeń, z których niektóre mają duże elementy pasywne (cewki indukcyjne i kondensatory) i mogą powodować problemy z zakłóceniami, jeśli zostaną umieszczone na PCB nieprawidłowo.
Zasilacze SMPS, choć wymagają bardziej złożonej konstrukcji, gwarantują wysoką sprawność, przewyższającą najlepsze jednostki liniowe. Pozwala to na lepsze zarządzanie ciepłem. Jednak obecność elementów kluczujących przy wysokich częstotliwościach powoduje znaczny poziom szumu elektromagnetycznego w ich otoczeniu. Zakłócenia te wpływają na jakość sygnałów elektrycznych do tego stopnia, że mogą skutkować nieprawidłowym działaniem lub nawet uszkodzeniem niektórych części. Z tego powodu technologia liniowa jest preferowana w zastosowaniach elektromedycznych czy oprzyrządowaniu laboratoryjnym.
Układ ścieżek i projekt PCB
W płytkach PCB zasilaczy AC/DC rozkład ścieżek i elementów odgrywa fundamentalną rolę. To dlatego, że bezpośrednio wpływa na odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, integralność sygnału i zasilania, sprawność, redukcję termiki, a także niezawodność całości. Ponadto dobre rozmieszczenie zwiększa efektywność konwersji energii, skutecznie odprowadza ciepło z najgorętszych komponentów i zmniejsza poziom szumu generowanego przez urządzenie. Właściwe zwymiarowanie ścieżek przewodzących jest kluczowym czynnikiem, redukującym ilość pojawiającego się ciepła i zwielokrotniającym niezawodność PCB w każdych warunkach obciążenia. Nieadekwatne rozlokowanie z kolei może powodować problemy, które występować będą przy dużych prądach lub sporych różnicach napięć między wejściem a wyjściem zasilacza.
Niektóre proste, ale ważne reguły routingu są następujące:
* Aby podłączyć urządzenia zasilające, używaj jak najkrótszych i prostych ścieżek;
* Unikaj wstawiania krzywych lub ostrych krawędzi wewnątrz ścieżek, ponieważ mogą one skupiać pole elektryczne w określonych punktach PCB;
* Ścieżki z dużymi różnicami napięcia muszą być odpowiednio od siebie odseparowane na PCB;
* Unikaj umieszczania ścieżek wysokiego napięcia w najbardziej wewnętrznych warstwach PCB. Również w tych ostatnich wskazane jest zwiększenie odległości między ścieżkami;
* Ścieżki przenoszące wrażliwe sygnały lub takowe o wysokiej szybkości transmisji należy umiejscowić z dala od tych zasilania i stabilizatorów, zwłaszcza impulsowych;
* W wielowarstwowych płytkach drukowanych ścieżki z wrażliwymi sygnałami powinny być ulokowane na warstwach oddzielonych warstwą masy od tej zawierającej linie zasilania;
* Aby uniknąć sprzęgania się sygnałów, co może skutkować szumami lub zakłóceniami, nigdy nie należy układać ścieżek tychże równolegle do tych zasilania umieszczanych na odrębnej warstwie. Ścieżki sygnałowe powinny, jeśli to możliwe, krzyżować się z tymi zasilania pod kątem 90°, aby zredukować efekt sprzęgania zakłóceń;
* Usytuuj ścieżki wysokoprądowe na najbardziej zewnętrznych warstwach. Jeśli nie jest to wykonalne, używaj przelotek, aby połączyć ze sobą wiele warstw. W przypadku wyższych prądów może być konieczne spożytkowanie kilku do jego przeniesienia. Należy pamiętać, że przelotki o średnicy 14 milsów pozwolą na przepływ do 2 A, a te o średnicy 40 milsów lub większej na zakres do 5 A.
W przypadku wylewek masy należy używać pełnych, nieprzerwanych obszarów lub dużych wielokątów. Takie pola zapewniają ścieżki o niskiej impedancji, które są zdolne do rozpraszania zakłóceń i mogą obsługiwać wysokie prądy powrotne. Ponadto gwarantują również tor odprowadzania ciepła z krytycznych komponentów. Umieszczenie wylewki uziemienia po obu stronach może pomóc w absorpcji wypromieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych, zredukować szum pętli masy oraz ograniczyć błędy napięcia.
Przetwornice AC/DC muszą być zaprojektowane tak, aby spełniały precyzyjne przepisy w zakresie bezpieczeństwa, między innymi dotyczące emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych. W związku z tym może okazać się niezbędne wstawienie odpowiednich filtrów EMI zdolnych do zrealizowania wymagań określonych przez normy. Niektóre możliwe działania są następujące:
* Wykonaj wstępny test bez dodatkowych filtrów, aby ocenić efekty wytwarzane przez EMI oraz ich bazowy poziom;
* Zidentyfikuj częstotliwości, które powodują najwięcej problemów;
* Zmieniaj trasę ścieżek, utrzymując linie energetyczne i wrażliwe sygnały jak najdalej od siebie;
* Wyeliminuj pętle masy;
* W ostateczności zaprojektuj filtr zewnętrzny, dodając elementy indukcyjne umieszczone szeregowo z wejściem AC zasilacza AC/DC.
Układ PCB na PCB, określony przez konfigurację i rozlokowanie warstw wewnątrz PCB, jest kluczowym czynnikiem wpływającym na zachowanie płytki pod względem EMC. W rzeczywistości dobrze przygotowany stos (stack-up) pozwala zredukować zarówno promieniowanie emitowane przez ścieżki zamknięte (emisja w trybie różnicowym), jak i te generowane przez podłączone do nich kable (emisje w trybie współbieżnym). Aby zagwarantować wystarczające ekranowanie elektromagnetyczne i zwiększyć odporność na zakłócenia oraz przesłuchy, zawsze dobrym pomysłem jest wprowadzenie co najmniej jednej litej płaszczyzny masy wśród warstw PCB, jeśli pozwala na to dostępna przestrzeń. Można ograniczyć się do minimalnej powierzchni obejmującej cały obszar elementów zasilacza PCB, jeśli nie uda się zarezerwować kompletnej warstwy ze względu na brak warunków.
Rozmieszczenie komponentów
W pierwszej kolejności na płytce drukowanej osadzane są elementy przewodzące wysokie prądy, czyli te, które wymagają najszerszych ścieżek. Komponenty składające się na PCB zasilacza powinny być usytuowane nieopodal siebie i odpowiednio zorientowane, aby zredukować długość ścieżki, pamiętając, że te powiązane muszą być jak najkrótsze. Przetwornice scalone należy również umieszczać jak najbliżej urządzeń, do których dostarczają one zasilanie, ze względu na ograniczenia długości ścieżek. Podczas umiejscawiania elementów trzeba także uwzględnić odciążenie termiczne, z priorytetem dla obszarów, w których chłodzenie sprzętów zasilających jest wystarczające i optymalne. Zaleca się, aby zacząć od podstawowych części zasilacza, takich jak układy scalone przetwornicy, następnie przejść do kondensatorów wejściowych i cewki indukcyjnej przetwornicy, a następnie do kondensatora wyjściowego.
Pętle, przez które przechodzą wysokie prądy przełączania (to znaczy te o dużych wartościach di/dt), muszą być możliwie wąskie i zwarte. To po to, aby zredukować rozproszoną indukcyjność, która może powodować skoki napięcia. Dobrą zasadą jest utrzymywanie torów dystrybucji prądu i powrotu jeden na drugim lub obok siebie, aby zminimalizować obszar tworzących się pętli i ograniczyć generowanie zakłóceń elektromagnetycznych. Analogowe komponenty sterujące powinny być osadzone na końcu, ponieważ zajmują mało miejsca i wymagają cienkich ścieżek. Jednym ze sposobów radzenia sobie z nimi jest tworzenie podgrup według funkcji i łączenie ich według grup.
Wszystkie duże elementy elektroniczne, takie jak tranzystory MOSFET, prostowniki, kondensatory elektrolityczne, cewki indukcyjne i złącza powinny być ulokowane na górnej części płytki, aby nie spadły ani nie poruszyły się podczas lutowania. Dolna strona musi zawierać tylko najmniejsze komponenty, które przyczepiają się do płytki dzięki napięciu powierzchniowemu. I nie poruszają się podczas operacji lutowania maszynowego. Kondensatory filtrujące zasilanie, znane również jako kondensatory odsprzęgające, służą do ochrony delikatnych elementów, takich jak układy scalone i urządzenia logiczne, w których niewielka oscylacja może zostać pomylona ze zmianą stanu logicznego. Kondensatory te muszą być podłączone do masy z jednej strony, a z drugiej umieszczone jak najbliżej portów zasilania układu, które mają być chronione przed zakłóceniami.
Standardowe jest to, że płytkę PCB projektuje się tak, aby umożliwić właściwe zarządzanie temperaturą, ponieważ typowo wszystkie obwody zasilacza mają tendencję do wytwarzania ciepła. Pierwszą zasadą, której należy przestrzegać, jest utrzymywanie połączeń tak krótkich i prostych, jak to tylko możliwe, przy jednoczesnym oddzieleniu elementów generujących ciepło (scalone stabilizatory napięcia, tranzystory MOSFET itp.) od tych wrażliwych na termikę, takich jak np. kondensatory elektrolityczne. Następnie, biorąc pod uwagę wysoką przewodność cieplną tego metalu, można rozważyć szersze wykorzystanie powierzchni miedzi w celu zapewnienia obszarów do rozpraszania termicznego. Pokryte miedzią sekcje pomogą w bardziej równomiernym rozprowadzaniu ciepła, przenosząc je z gorących punktów do miejsc o lepszym rozpraszaniu, co ostatecznie umożliwia skuteczniejsze odprowadzanie.
Wykorzystanie przelotek termicznych i litych obszarów miedzianych pod najgorętszymi komponentami to kolejna efektywna metoda. Celem jest zapobieganie powstawaniu gorących punktów na płytce drukowanej, umożliwiając szybkie odprowadzanie ciepła bez uszkodzenia najbardziej krytycznych części. Zastosowanie radiatorów na elementach zasilających i ewentualnie rozwiązania wykorzystujące systemy aktywnego chłodzenia, takie jak wymuszona wentylacja, chłodzenie cieczą itp., można wprowadzić, jeśli ujęcie pasywne zawodzi. Opcje te zależą wyłącznie od konkretnej aplikacji, pamiętając, że w niektórych sytuacjach zasilacze bez wentylatora są zazwyczaj bardziej preferowane ze względu na zwiększoną niezawodność i niższy poziom hałasu akustycznego.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/guidelines-for-ac-dc-power-supply-pcb-design/
Cool? Ranking DIY
