- Irányelvek a bemeneti és a társított szűrőkhöz
- Iránymutatások a vezető áramköréhez és a vezérlő áramkörhöz
- Iránymutatások az induktorok és transzformátorok kapcsolásához
- Iránymutatások a kimeneti hídhoz és a szűrő szakaszhoz
- A földi visszafordulás csökkentése az SMPS NYÁK-elrendezésekhez
- Kövesse az IPC szabványokat
- Kelvin-kapcsolat a Sense Line számára
A kapcsoló tápegység az energiaelektronikában széles körben alkalmazott tápegység topológia. Legyen szó bonyolult CNC-gépről vagy kompakt elektronikai eszközről, mindaddig, amíg az eszköz valamilyen áramforráshoz van csatlakoztatva, mindig kötelező az SMPS áramkör. A nem megfelelő vagy hibás tápegység a termék nagy meghibásodásához vezethet, függetlenül attól, hogy az áramkör milyen jól megtervezett és működőképes lehet. Már jó néhány SMPS tápfeszültség áramkört terveztünk, mint például a 12V 1A SMPS és az 5V 2A SMPS a Power Integration, illetve a Viper vezérlő IC segítségével.
Minden kapcsoló tápegység olyan kapcsolót használ, mint egy MOSFET vagy egy áramtranzisztor, amely folyamatosan be- vagy kikapcsol, a kapcsolóillesztő specifikációjától függően. Ennek az ON és OFF állapotnak a kapcsolási frekvenciája néhány száz kilohertz és megahertz tartomány között mozog. Egy ilyen nagyfrekvenciás kapcsoló modulban a NYÁK tervezési taktikája sokkal lényegesebb, és ezt a tervező néha figyelmen kívül hagyja. Például a gyenge NYÁK-tervezés az egész áramkör meghibásodásához vezethet, valamint a jól megtervezett NYÁK sok kellemetlen eseményt megoldhat.
Általános szabály, hogy ez az útmutató néhány fontos szempontot tartalmaz a NYÁK tervezésének elrendezéséről, amelyek elengedhetetlenek bármilyen típusú kapcsolóüzemű tápegységen alapuló NYÁK tervezésnél. Megtekintheti az SMPS áramkörök EMI-csökkentésének tervezési technikáit is.
Először is, egy kapcsolóüzemű tápegység megtervezéséhez egyértelműen meg kell adni az áramköri követelményeket és specifikációkat. Az áramellátás négy fontos részből áll.
- Bemeneti és kimeneti szűrők.
- Vezérlő áramkör és a vezetőhöz tartozó alkatrészek, különösen a vezérlő áramkör.
- Induktorok vagy transzformátorok kapcsolása
- Kimeneti híd és a hozzá tartozó szűrők.
A NYÁK-tervezésnél ezeket az összes szegmenst el kell választani a NYÁK-ból, és különös figyelmet igényelnek. Ebben a cikkben részletesen megvitatjuk az egyes szegmenseket.
Irányelvek a bemeneti és a társított szűrőkhöz
A bemenet és a szűrőszakasz kapcsolódik a zajos vagy szabályozatlan tápvezetékekhez az áramkörbe. Ezért a bemeneti szűrő kondenzátorait egyenletesen kell elhelyezni a bemeneti csatlakozótól és a meghajtó áramkörétől. A bemeneti szakasz és a meghajtó áramkörének összekapcsolásához elengedhetetlen, hogy mindig rövid csatlakozót használjon.
A fenti kép kiemelt szakaszai a szűrőkondenzátorok szoros elhelyezkedését mutatják.
Iránymutatások a vezető áramköréhez és a vezérlő áramkörhöz
Az illesztőprogram főleg egy belső MOSFET-ből áll, vagy néha a kapcsoló MOSFET kívülről csatlakozik. A kapcsoló vezeték mindig be- és kikapcsol, nagyon nagy frekvencián, és nagyon zajos tápvezetéket hoz létre. Ezt a részt mindig el kell különíteni az összes többi csatlakozástól.
Például el kell különíteni a nagyfeszültségű egyenáramot, amely közvetlenül a transzformátorhoz megy (For flyback SMPS), vagy az egyenáramot, amely közvetlenül a teljesítményinduktorhoz megy (Buck vagy Boost topológia alapú kapcsolási szabályozók).
Az alábbi képen a kiemelt jel a nagyfeszültségű egyenáram. A jel úgy van irányítva, hogy elválik a többi jeltől.
A kapcsolóüzemű tápegység egyik legzajosabb vonala a meghajtó lefolyócsapja, függetlenül attól, hogy váltakozó áramú vagy egyenáramú visszacsatolásról van szó, vagy lehet bak, boost vagy buck-boost topológia alapú alacsony fogyasztású kapcsoló táp tervezés. Mindig el kell választani az összes többi csatlakozástól, valamint nagyon rövidnek kell lennie, mert az ilyen típusú útválasztások általában nagyon magas frekvenciájú jeleket hordoznak. A jelvezeték másoktól történő elkülönítésének legjobb módja a NYÁK-kivágás használata marási vagy méretrétegek segítségével.
Az alábbi képen egy elszigetelt leeresztőcsapos csatlakozás látható, amely biztonságos távolságra van az Opto-csatolótól, valamint a kivágott NYÁK eltávolítja az egyéb útvonalak vagy jelek interferenciáját.
Egy másik fontos szempont, hogy a meghajtó áramkörének szinte mindig van visszacsatolása vagy érzékelt vonala (néha több, mint például bemeneti feszültség érzékelő vezeték, kimeneti érzékelő vonal), amely nagyon érzékeny, és a meghajtó működése teljesen függ a visszacsatolás érzékelésétől. Bármilyen visszajelzésnek vagy érzékelő vonalnak rövidebbnek kell lennie a zajkapcsolódás elkerülése érdekében. Az ilyen típusú vezetékeket mindig el kell választani az áramellátástól, a kapcsolótól vagy bármely más zajos vonaltól.
Az alábbi kép külön visszacsatolási vonalat mutat az optocsatolótól az illesztőprogramig.
Nem csak ez, hanem egy meghajtó áramkör is tartalmazhat többféle komponenst, például kondenzátorokat, RC szűrőket, amelyek szükségesek a meghajtó áramkör működésének vezérléséhez. Ezeket az alkatrészeket szorosan a vezetőn keresztül kell elhelyezni.
Iránymutatások az induktorok és transzformátorok kapcsolásához
A kapcsoló induktor a legnagyobb kapacitású alkatrész bármely tápegységben a terjedelmes kondenzátorok után. Az egyik rossz megoldás, ha bármilyen kapcsolatot vezetünk az induktor vezetékek között. Alapvető fontosságú, hogy ne vezessen jeleket az áramellátás vagy a szűrő induktív betétek között.
Továbbá, amikor transzformátorokat használnak egy tápegységben, különösen az AC-DC SMPS-ben, ennek a transzformátornak a fő célja a bemenet és a kimenet izolálása. Megfelelő távolságra van szükség az elsődleges és a másodlagos párna között. A kúszásnövelés egyik legjobb módja egy NYÁK-levágás alkalmazása maróréteggel. Soha ne használjon semmiféle útvonalat a transzformátor vezetékei között.
Iránymutatások a kimeneti hídhoz és a szűrő szakaszhoz
A kimeneti híd egy nagy áramú Schottky-dióda, amely a terheléstől függően elvezeti a hőt. Néhány esetben PCB-hűtőbordákra van szükség, amelyeket a rézsík használatával magában a NYÁK-ban kell létrehozni. A hűtőborda hatékonysága arányos a NYÁK rézfelületével és vastagságával.
Kétféle rézvastagság létezik általában a NYÁK-ban, 35 mikron és 70 mikron. Minél nagyobb a vastagsága, annál jobb lesz a termikus csatlakozás és a NYÁK hűtőborda területe rövidül. Ha a NYÁK kettős rétegű, és a fűtött tér kissé nem áll rendelkezésre egy NYÁK-ban, akkor a rézsík mindkét oldalát használhatjuk, és ezt a két oldalt közös viaszok segítségével köthetjük össze.
Az alábbi kép egy példa az alsó rétegben létrehozott Schottky-dióda PCB hűtőbordájára.
A szűrőkondenzátort közvetlenül a Schottky-dióda után nagyon szorosan kell elhelyezni a transzformátoron vagy a kapcsoló induktoron, oly módon, hogy az induktivitáson, a híddiódán és a kondenzátoron átmenő táplálási hurok nagyon rövid legyen. Ily módon csökkenthető a kimeneti hullámzás.
A fenti kép egy rövid hurok példája a transzformátor kimenetétől a hídiódáig és a szűrőkondenzátorig.
A földi visszafordulás csökkentése az SMPS NYÁK-elrendezésekhez
Először is, a talaj feltöltése elengedhetetlen, és egy másik legfontosabb dolog a tápegység áramkörének különválasztása.
Áramkör szempontjából a kapcsoló tápegységnek egyetlen közös alapja lehet az összes alkatrész számára, de ez nem így van a NYÁK tervezési szakaszában. A NYÁK tervezési perspektívája szerint a talajt két részre osztják. Az első rész tápfeszültség föld, a második rész analóg vagy vezérlő föld. Ennek a két alapnak ugyanaz a kapcsolata, de nagy a különbség. Analóg vagy vezérlő földet használnak a meghajtó áramkörhöz társított alkatrészek. Ezek az alkatrészek olyan alapsíkot használnak, amely alacsony áram visszatérési utat hoz létre, másrészt az erő föld továbbítja a nagy áramú visszatérési utat. Az áramellátás alkatrészei zajosak, és bizonytalan talaj-visszapattanási problémákhoz vezethetnek a vezérlő áramkörökben, ha közvetlenül ugyanazon a földön vannak csatlakoztatva. Az alábbi kép azt mutatja, hogy az analóg és a vezérlő áramkör hogyan van teljesen elválasztva a NYÁK többi tápvezetékétől egy rétegű NYÁK-ban.
Ezt a két részt el kell választani, és össze kell kötni egy adott régióban.
Ez könnyű, ha a NYÁK kettős rétegű, mint például a felső réteg vezérlő földként használható, és az összes vezérlő áramkört a felső réteg közös alapsíkjában kell csatlakoztatni. Másrészt az alsó réteg erőalapként használható, és minden zajos alkatrésznek ezt az alapsíkot kell használnia. De ez a két alap ugyanazon összefüggésben van és kapcsolódik a sematikához. Most, a felső és az alsó réteg összekapcsolásához, viaszok használhatók mindkét alapsík egyetlen helyen történő összekapcsolására. Lásd például az alábbi képet -
A meghajtó fenti része rendelkezik minden olyan teljesítményszűrővel kapcsolatos kondenzátorral, amelyek külön Power GND nevű alapsíkot használnak, de a meghajtó IC alsó része az összes vezérléssel kapcsolatos alkatrész, külön GND vezérlővel. Mindkét alap ugyanaz a kapcsolat, de külön létrejön. Ezután mindkét GND kapcsolat csatlakozott a Driver IC-hez.
Kövesse az IPC szabványokat
Kövesse a NYÁK-irányelveket és szabályokat az IPC NYÁK-tervezési szabvány szerint. Ez mindig minimalizálja a hiba esélyét, ha a tervező betartja az IPC2152 és az IPC-2221B szabványban leírt NYÁK tervezési szabványt. Főként ne feledje, hogy a nyomok szélessége közvetlenül befolyásolja a hőmérsékletet és az áramerősség terhelhetőségét. Ezért a nyomok nem megfelelő szélessége hőmérséklet-növekedéshez és gyenge áramláshoz vezethet.
A két nyom közötti távolság szintén fontos a bizonytalan meghibásodás vagy a keresztbeszélés elkerülése érdekében, néha a nagyáramú nagyfeszültségű alkalmazásoknál kereszttüzek. Az IPC-9592B leírja a tápvezetékek közötti ajánlott távolságot a tápegység alapú NYÁK-tervezésnél.
Kelvin-kapcsolat a Sense Line számára
A Kelvin-kapcsolat egy másik fontos paraméter a tápegység-tervezésnél, a mérés pontossága miatt, amely befolyásolja a vezérlő áramkör képességét. Az áramellátás vezérlő áramköre mindig valamilyen mérést igényel, legyen az áramérzékelés vagy feszültségérzékelés a visszacsatoló vagy érzékelővezetékben. Ezt az érzékelést úgy kell elvégezni, hogy a komponens vezetékekből más jelek vagy nyomok ne zavarják az érzékelési vonalat. A Kelvin-kapcsolat segít elérni ugyanezt, ha az érzékvonal egy differenciális pár, akkor a hosszúságnak meg kell egyeznie mind a nyomok esetében, mind a nyomnak össze kell kapcsolódnia az alkatrész vezetékein.
Például a Kelvin csatlakozást megfelelően leírják a texasi eszközök Power Controllerek NYÁK-tervezési irányelvei.
A fenti kép a megfelelő áramérzékelést mutatja Kelvin-kapcsolattal. A megfelelő kapcsolat a megfelelő kelvin csatlakozás, amely elengedhetetlen lesz az érzékvonal kialakításához. A nyomtatott áramköri lap elrendezése is megfelelően meg van adva abban a dokumentumban.
A NYÁK elrendezése szoros kapcsolatot mutat a 10nF és 1nF kerámia kondenzátor között az illesztőprogramon vagy a vezérlő IC-n. A Sense vonal a megfelelő kelvin kapcsolatot is tükrözi. A belső teljesítményréteg egy elválasztott forrásvezeték, amely ugyanazokkal az elválasztott forrásvezetékekkel van összekötve, többféle viasz segítségével a zajcsatolás csökkentése érdekében.