Разработка и монтаж печатных плат для источников питания. Часть 1
В целом источник питания получает энергию, обрабатывает ее и обеспечивает ее специализированный выход, который питает определенную схему, соединенную с источником питания. Обычно мы используем только два типа источников питания: переменный ток (AC или Alternating Current) и постоянный ток (DC или Direct Current). Функция источника питания заключается в том, чтобы взять энергию при определенном напряжении и токе и выдать примерно ту же энергию, но при другом уровне напряжения и тока. Помимо генераторов, широкая классификация источников питания делит их на инверторные и конверторные (преобразовательные) типы.
ИНВЕРТОРНЫЕ И КОНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
И инверторные, и конверторные типы источников питания изменяют напряжение, которое они получает, на другой тип на выходе. Инверторный тип источника питания изменяет входящее напряжение постоянного тока на напряжение переменного тока на выходе, тогда как конверторный тип получает напряжение переменного или постоянного тока и изменяет его на постоянное на выходе. Оба типа источников питания могут давать на выходе постоянное напряжение или переменное напряжение, несколько фиксированных напряжений или комбинацию как фиксированных, так и переменных напряжений. Они могут иметь ограничения по выходу тока различными способами для предотвращения выгорания / повреждения от очень низких нагрузок или коротких замыканий на выходе.
Топология источников питания определяет манеру конверсии с напряжения на сходе в напряжение, которое они производят на выходе. В широком смысле отрасль источников питание использует либо линейный режим, либо переключаемый режим для этой цель. Хотя переключаемый тип источников питания работает с намного большей эффективностью, чем линейный, но он имеет более шумное присутствие.
Помимо вышеперечисленного источники питания могут иметь дополнительные модули схемы со специальными функциями. Это могут быть блоки выпрямителя, блоки управления коэффициентом мощности, блоки схем входного фильтра, цепи управления и обратной связи, схемы регулятора выходного сигнала, блоки схем выходного фильтра, а также блоки защиты от перенапряжения и перегрузки по току.
ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ
Большинство правил, относящихся к печатным платам, применимы и к обоим типам источников питания, линейным и переключаемым, хотя принцип их работы отличается. Но у обоих типов одинаковая цель, только достигают ее они по разному.
Когда дело доходит до проектирования источников питания, невозможно переоценить важность хорошо проработанной печатной платы. Более того, проектировщик должен понимать динамику в работе источника питания, чтобы успешно реализовать свою идею. Даже когда используется программа CAD для разработки печатной платы, использование автотрассировщика для автоматической трассировки дорожек на печатной плате для схемы источника питания часто может привести к нарушениям. Это происходит из-за того, что автотрассировщик только соединяет узлы одного имени сигнала, отмеченного в списке сетей. Ему не важна длина дорожки, необходимая для выполнения соединения. Для проектировщика источника питания чтобы реализовать хороший финальный проект печатной платы необходимо также знать различные сигналы, проходящие между компонентами.
ТОКОВЫЙ КОНТУР И СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Генерирование шума и эффективность работы источника питания сильно зависит от потока тока, который происходит в замкнутом контуре. Для линейного источника питания, есть два основных контура – контур входного источника и контур выходящей нагрузки. Для переключаемого источника питания есть еще два – контур высокого тока переключателя питания и контур высокого тока выходного выпрямителя.
Главное требование к проектировщику – держать различные контуры тока раздельно друг от друга и позволять их проходить через минимально возможно короткий проводник. Хотя ток в контурах в основном постоянный, они также содержать и некоторые компоненты переменного тока, что в действительности создает проводимые электромагнитные помехи. За счет короткой длины проводника проектировщик позволяет только малой части энергии переменного тока выделяться в окружающую среду.
Большинство контуров тока в переключателе питания и выходном выпрямителе переключаемого типа источника питания несут высокие пиковые пульсирующие постоянные токи с трапециевидными волнами и острыми краями. Проектировщик должен спроектировать эти контуры таким образом, чтобы они занимали очень маленькую площадь и использовали дорожки значительной ширины.
Поскольку индуктивность и сопротивление, проявляемые дорожкой, изменяются обратно пропорционально их ширине, узкие дорожки имеют более высокое сопротивление и показывают более высокую индуктивность. Следовательно, ширина дорожек заставляет эти контуры диктовать падение напряжения вокруг этих контуров. Высокие пиковые пульсирующие постоянные токи при прохождении через высокую индуктивность тонких дорожек также создают RF радиацию. Контуры с широкими дорожками снижают эту тенденцию. Кроме того, широкие дорожки обеспечивают лучшее отведение тепла от переключателя энергии и выпрямителя.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ В СХЕМАХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Контуры высокого тока, обсуждаемые выше, требуют отдельного заземления для предотвращения их воздействия друг на друга. Заземление представляет возвратные пути с самым низким потенциалом для токов. Заземления представляет референтный потенциал, от которого проектировщик измеряет потенциал всех остальных сигналов.
Проектировщику необходимо учитывать секции системы заземления отдельно, так как земля несет как сигналы переменного, так и постоянного тока из различных точек в схему. Неправильное соединение этой земли может сделать источник питания нестабильным.
В более широком смысле проектировщик должен делать различия между землей высокого тока на входе, землей высокого тока на выходе, и землей с низким уровнем контроля, причем всегда держать их отдельно друг от друга. Обычно три земли встречаются в стартовой позиции рядом с возвратом входа.
Некоторые схемы источников питания имеют аналоговые секции, секции питания, и цифровые секции на одной печатной плате. Проектировщик должен делать трассировку для этих трех секций раздельно, и заземлить их на возвратную сторону чувствительного резистора. Они должны держать все дорожки к и от текущего резистора чувствительности короткие и широкие или использовать соединения Кельвина.
Дорожки высокого тока часто вызывают электромагнитные помехи. Проектировщики уменьшают излучение за счет размещения панелей заземления на обеих сторонах дорожек, и на противоположной стороне печатной платы, тем самым эффективно размещая дорожки высокого тока с землей. Большие зоны проводника заземления ведут себя как электростатические экраны, улавливающие излучаемую энергию в форме вихревых токов, которые рассеиваются в виде тепла.
РАЗРАБОТКА ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
Эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность фильтрующих конденсаторов на выходе блока питания способствуют внутреннему нагреву конденсатора и уровню пульсаций тока на выходе. Следовательно, проектировщики пытаются снизить ESR и ESL с помощью использования нескольких конденсаторов параллельно.
Так как разделение тока между конденсаторами зависит от проекта печатной платы между этими компонентами, проектировщик должен использовать конденсаторы одинакового номинала и сохранять одинаковое расположение между каждым из них, чтобы обеспечить равномерное распределение тока. Делая дорожки между компонентами широкими и короткими, проектировщик избегает паразитического импеданса, которой может изолировать конденсатор от контура. Следовательно, любые высокочастотные импульсы тока остаются за пределами контура, предотвращая создание проводимых электромагнитных помех.
