نکات طراحی PCB تغذیه سوئیچینگ

تغذیه سوئیچینگ بسیار مورد استفاده در الکترونیک قدرت است. این که آیا این دستگاه می تواند یک دستگاه CNC پیچیده باشد یا یک دستگاه الکترونیکی کم حجم، تا زمانی که دستگاه به منبع تغذیه متصل است یک مدار SMPS همیشه اجباری است.

منبع تغذیه معیوب، می تواند بدون توجه به چگونگی طراحی و عملکرد مناسب مدار، منجر به عدم موفقیت محصول شود.

هر تغذیه سوئیچینگ از سوئیچ مانند ماسفت یا ترانزیستور استفاده می کند که بسته به مشخصات درایور سوئیچینگ، دائما روشن یا خاموش می شود. فرکانس آن از چند صد کیلو هرتز تا مگا هرتز متغیر است. در چنین ماژول سوئیچینگ با فرکانس بالا، تاکتیک های طراحی PCB بسیار ضروری تر هستند و گاهی توسط طراح نادیده گرفته می شود.

به عنوان مثال، طراحی ضعیف می تواند منجر به خرابی کل مدار شود و همچنین با طراحی مناسب می تواند بسیاری از وقایع ناخوشایند را برطرف کند.

به عنوان یک قاعده کلی، این آموزش جنبه های مفصلی از راهنمایهای مهم طراحی PCB را ارائه می دهد که برای هر نوع طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ ضروری است.

نکته اول: برای طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ ، فرد باید به روشنی از نیاز و مشخصات مدار آگاه باشد.

منبع تغذیه چهار بخش مهم دارد:

فیلترهای ورودی و خروجی.
مدار درایور و اجزای مرتبط برای درایور مخصوصاً مدار کنترل.
سلف سوئیچینگ یا ترانسفورماتور
پل دیود خروجی و فیلترهای مرتبط

در طراحی PCB منبع تغذیه سوئیچینگ، این بخش ها باید از هم جدا شوند و به توجه ویژه ای نیاز دارند. ما در این مقاله به تفصیل در مورد هر بخش صحبت خواهیم کرد.

نکات مربوط به فیلترهای ورودی و مرتبط

قسمت ورودی و فیلتر جایی است که نویز و منابع کنترل نشده به مدار وصل می شوند. بنابراین، خازنهای فیلتر ورودی باید در فاصله نزدیک از کانکتور ورودی و مدار درایور جانمایی شوند. همیشه کوتاه بودن طول ارتباط اتصال بین بخش ورودی با مدار درایور ضروری است.

نکات مربوط به مدار درایور و مدار کنترل

درایور عمدتا از یک ماسفت داخلی تشکیل شده است یا گاهی اوقات ماسفت سوئیچینگ به طور خارجی متصل است. خط سوئیچینگ همیشه روشن و خاموش می شود و در فرکانس بسیار بالا خاموش میشود و یک خط تأمین کننده بسیار پر نویز ایجاد می کند. این بخش همیشه باید از سایر اتصالات جدا باشد.

به عنوان مثال، خط ولتاژ بالا DC که مستقیماً به سمت ترانسفورماتور (برای فلای بک SMPS) یا خط DC که مستقیماً به سلف پاور می رود ( رگولاتورهای سوئیچینگ مبتنی بر توپولوژی باک یا بوست) باید جدا شود.

یکی از پر نویزترین خطوط در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ، پین Drain درایور است، چه از نوع طراحی AC به DC فلای بک باشد و چه از نوع منبع تغذیه سوئیچینگ توان پایین, مبتنی بر توپولوژی، باک یا بوست یا buck-boost باشد.

همیشه باید از سایر اتصالات جدا شود و همچنین باید بسیار کوتاه باشد زیرا این نوع مسیر معمولاً دارای سیگنالهای با فرکانس بسیار بالا است. بهترین راه برای جداسازی این خط سیگنال از دیگر قسمت ها استفاده از Keep-Out-Layer در PCB است تا در چاپ بریده شود.

نکته مهم دیگر اینست که ، یک درایور تقریباً همیشه دارای خط فیدبک یا sense line است (بعضی اوقات بیش از یکی, مانند خط ولتاژ ورودی ، sense line خروجی) که بسیار حساس است و عملکرد درایور کاملاً وابسته به اندازه گیری فیدبک است. برای جلوگیری از نویز، هر نوع فیدبک یا sense line باید کوتاهتر باشد. این نوع خطوط همیشه باید از پاور، سوئیچینگ یا هر خط پرنویز دیگری جدا شوند.

نه تنها این، بلکه یک مدار درایور همچنین می تواند انواع مختلفی از اجزاء مانند خازن ها ، فیلترهای RC را برای کنترل عملکرد مدار درایور لازم داشته باشد. این اجزاء باید نزدیک درایور قرار بگیرند.

نکات سلف سوئیچینگ و ترانسفورماتور

سلف سوئیچینگ بزرگترین قطعه موجود در هر برد منبع تغذیه پس از خازن ها است.

همچنین اگر از ترانسفورماتورها در منبع تغذیه بخصوص در SM-AC-DC استفاده شود، اصلی ترین کاربرد این ترانسفورماتور جداسازی ورودی با خروجی است. فاصله کافی بین پدهای اولیه و ثانویه لازم است. بهترین روش استفاده از برش در PCB در زمان طراحی بین پدهای اولیه و ثانویه است.

نکات مربوط به بخش پل دیود و فیلتر

پل خروجی یک دیود شاتکی با جریان بالا است که بسته به جریان بار، حرارت خواهد داشت. در چند مورد، پی سی بی هیت سینگ مورد نیاز است که باید با استفاده از copper plane در خود پی سی بی ایجاد شود. کارایی هیت سینگ متناسب با صفحه و ضخامت مس پی سی بی است.

دو نوع ضخامت مس که معمولاً در PCB وجود دارد، 35 میکرون و 70 میکرون است. هرچه ضخامت بالاتر باشد ، انتقال حرارتی بهتر و ناحیه هیت سینگ پی سی بی کاهش می یابد. اگر PCB دو لایه است و فضای حرارت دیدن تا حدودی در PCB وجود ندارد، می توان از هر دو طرف صفحه مس استفاده کرد و این دو طرف را با استفاده از وایا به هم متصل کرد.

تصویر زیر نمونه ای از هیت سینگ پی سی بی یک دیود شاتکی است که در لایه پایین ایجاد شده است.

خازن فیلتر بلافاصله پس از دیود شاتکی باید خیلی نزدیک به ترانسفورماتور یا سلف سوئیچینگ قرار گیرد به گونه ای که حلقه از طریق سلف، پل دیود و خازن بسیار کوتاه شود. به این ترتیب، ریپل کاهش می یابد.

تصویر بالا نمونه ای از حلقه کوتاه از خروجی ترانسفورماتور به پل دیود و خازن فیلتر است.

Ground در طراحی پی سی بی مدار منبع تغذیه

جدا سازی سطوح مختلف زمین در مدار منبع تغذیه چیز مهمی است. از دید مدار، منبع تغذیه سوئیچینگ می تواند یک زمین مشترک برای همه قطعات داشته باشد اما در مرحله طراحی PCB چنین نیست. مطابق طراحی PCB ، زمین به دو قسمت جدا میشود.

قسمت اول زمین قدرت و بخش دوم آنالوگ یا زمین کنترل است. این دو زمین با هم ارتباط دارند اما تفاوت بزرگی وجود دارد. زمین آنالوگ یا کنترل توسط قطعاتی که با مدار درایور همراه هستند استفاده میشود. این قطعات از زمینی استفاده میکنند که مسیر برگشت جریان کم را ایجاد می کنند، از طرف دیگر، زمین قدرت مسیر بازگشت جریان بالا را دارد.

قطعات قسمت قدرت پر نویز هستند و در صورت اتصال مستقیم در همان زمین، می توانند منجر به بروز مشکلات ناپایدار در مدار کنترل شوند.

این دو بخش باید از هم جدا شوند و باید در یک منطقه خاص به هم وصل شوند.

این کار ساده است اگر PCB دولایه باشد، لایه بالایی می تواند به عنوان زمین کنترل استفاده شود و زمین مدار کنترل در لایه بالایی به هم متصل شود. از طرف دیگر، از لایه پایین به عنوان زمین قدرت استفاده میشود و تمام اجزای پر نویز از زمین این لایه استفاده کنند. اما آن دو زمین به هم مرتبط هستند همانطور که در شماتیک متصل هستند.

حالا، برای اتصال لایه های بالا و پایین، از وایا میتوان برای اتصال هر دو زمین در یک نقطه واحد استفاده کرد. به عنوان مثال، تصویر زیر را مشاهده کنید.

قسمت بالای درایور دارای تمام خازنهای مربوط به فیلتر قدرت است که از زمینی جداگانه با نامPower GND استفاده میکنند، اما قسمت پایین آی سی درایور تمام اجزای مرتبط با مدار کنترل، با استفاده از یک زمین جداگانه با نام Control GND است.

هر دو زمین با هم ارتباط دارند اما جداگانه ایجاد شده اند. سپس هر دو GND به آی سی درایور مرتبط شده اند.

استانداردهای IPC

اگر طراح از استاندارد طراحی پی سی بی IPC2152 و IPC-2221B پیروی کند، احتمال خطا را به حداقل می رساند. به یاد داشته باشید که عرض ترک ها به طور مستقیم بر دما و میزان جریان عبوری تأثیر می گذارد. بنابراین، عرض اشتباه ترک ها می تواند به افزایش دما و جریان عبوری ضعیف منجر شود. همچنین فاصله بین دو ترک نیز از اهمیت بسیاری برخوردار است.

IPC-9592B فاصله پیشنهادی بین ترک های قدرت را در طراحی PCB مبتنی بر منبع تغذیه توصیف میکند.

اتصال کلوین برای اندازه گیری فیدبک

اتصال کلوین یکی دیگر از مهمترین پارامترهای موجود در طراحی برد منبع تغذیه است، به دلیل دقت در اندازه گیری که بر کارایی مدار کنترل تأثیر می گذارد. یک مدار کنترل منبع تغذیه همیشه به نوعی اندازه گیری نیاز دارد، خواه آن را اندازه گیری جریان یا ولتاژ و فیدبک دانست.

این اندازه گیری باید از طریق قطعات انجام شود (مقاومت الکتریکی) به گونه ای که دیگر سیگنال ها یا ترک ها در اندازه گیری تداخل نداشته باشند. اتصال کلوین در دستیابی به آن به ما کمک می کند.