แหล่งจ่ายไฟมีส่วนสำคัญในการใช้งานระบบ การออกแบบ PCB แหล่งจ่ายไฟที่มีคุณภาพสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ลดแรงกดดันในการกระจายความร้อน และลดการปล่อยเสียงรบกวน เพื่อเพิ่มความแม่นยำและเสถียรภาพในการจ่ายไฟภายนอกอาคาร ในปัจจุบัน การใช้งานผลิตภัณฑ์จำนวนมาก เช่น อุตสาหกรรม ยานยนต์ การสื่อสาร และผู้บริโภค ต้องการโซลูชันขนาดเล็ก เป็นผลให้ข้อกำหนดการย่อขนาดก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย บทความนี้จะสำรวจโครงร่าง PCB ของรายละเอียดอุปกรณ์จ่ายไฟ

หลักการพื้นฐานของโครงร่าง PCB ของพาวเวอร์ซัพพลาย

การค้นหาแหล่งพลังงาน

ประการแรกและสำคัญที่สุด เมื่อพิจารณาการจ่ายไฟ PCB ในระยะแรกของโครงร่างระบบ จะต้องคำนึงถึงตำแหน่งของ PCB ด้วย หลักการสำคัญคือการวางพวกมันไว้ใกล้โหลดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ร่องรอยของ PCB ยาวเกินไป และสร้างความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้ามากเกินไประหว่างแรงดันโหลดจริงกับแรงดันเอาต์พุตที่กำหนดโดยแหล่งจ่ายไฟ ส่งผลให้การวัดแรงดันไฟฟ้าไม่ถูกต้อง การตอบสนองโหลดไดนามิกช้าลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง นอกจากนี้ จะต้องจัดให้มีการประมาณพื้นที่จ่ายไฟด้วย ไม่เช่นนั้นจะไม่สามารถปฏิบัติตามหลักเกณฑ์เค้าโครง PCB หลายประการได้ และไม่สามารถรับประกันประสิทธิภาพการทำงานของแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้ได้

ในเวลาเดียวกัน หากระบบมีพัดลมสำหรับกระจายความร้อน การวางตำแหน่งแหล่งจ่ายไฟไว้ใกล้กับช่องระบายอากาศจะช่วยกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในขณะที่เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เพื่อให้มั่นใจว่าพัดลมระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ จะต้องพิจารณาเส้นทางการกระจายความร้อนอย่างรอบคอบเพื่อหลีกเลี่ยงการปิดกั้นส่วนประกอบพาสซีฟสูง (ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า) จากการกีดขวางส่วนประกอบที่ทำงานระยะสั้น เช่น ท่อ MOS และตัวควบคุม PWM จากการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

กระบวนการออกแบบ PCB หลายชั้น

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบบอร์ด PCB หลายชั้น มักแนะนำให้เพิ่มชั้นกราวด์หรือแรงดันไฟฟ้า DC เป็นชั้นป้องกันระหว่างชั้นกระแสสูง (เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้าหรือแรงดันเอาต์พุต ) และชั้นสัญญาณขนาดเล็กที่ละเอียดอ่อน ชั้นกราวด์หรือชั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสามารถแยกสัญญาณขนาดเล็กที่มีความละเอียดอ่อนและลูปกำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับสัญญาณขนาดเล็ก เมื่อออกแบบโครงร่างชั้นกราวด์หรือชั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง การลดการเดินสายให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าชั้นที่ไม่ขาดตอนถือเป็นสิ่งสำคัญหากเป็นไปได้

เมื่อจำเป็น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายเดินตามทิศทางเดียวกับการเดินสายไฟฟ้าแรงสูงของชั้นพลังงานเพื่อลดการรบกวนกับสัญญาณขนาดเล็ก หากจะต้องมีการเดินสายเพิ่มเติมให้ปฏิบัติตามการเดินสายไฟฟ้าแรงสูงที่คล้ายกันของชั้นพลังงานเพื่อลดการรบกวนระหว่างทั้งสอง ตัวอย่างเช่น

ตัวเลือกที่ 1(การออกแบบที่ไม่มีประสิทธิภาพ)

PCB 6 ชั้น

เลเยอร์ 1: อุปกรณ์ไฟฟ้า

เลเยอร์ 2: สัญญาณขนาดเล็ก

ระดับ 3: ระดับพื้นดิน

ชั้นที่ 4: แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงหรือชั้นพื้น

เลเยอร์ 5: สัญญาณขนาดเล็ก

เลเยอร์ 6: อุปกรณ์ไฟฟ้าหรือตัวควบคุม

PCB 4 ชั้น

เลเยอร์ 1: อุปกรณ์ไฟฟ้า

เลเยอร์ 2: สัญญาณขนาดเล็ก

ระดับ 3: ระดับพื้นดิน

เลเยอร์ 4: สัญญาณหรือตัวควบคุมขนาดเล็ก

ตัวเลือกที่ 2(การออกแบบที่มีประสิทธิภาพ)

PCB 6 ชั้น

เลเยอร์ 1: อุปกรณ์ไฟฟ้า

ระดับ 2: ระดับพื้นดิน

เลเยอร์ 3: สัญญาณขนาดเล็ก

ชั้นที่ 4: แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงหรือชั้นพื้น

เลเยอร์ 5: สัญญาณขนาดเล็ก

เลเยอร์ 6: อุปกรณ์ไฟฟ้าหรือตัวควบคุม

PCB 4 ชั้น

เลเยอร์ 1: อุปกรณ์ไฟฟ้า

ระดับ 2: ระดับพื้นดิน

เลเยอร์ 3: สัญญาณขนาดเล็ก

เลเยอร์ 4: สัญญาณหรือตัวควบคุมขนาดเล็ก

ตัวเลือกที่ 1 เป็นการออกแบบที่ไม่มีประสิทธิภาพ โดยที่ชั้นสัญญาณขนาดเล็กติดอยู่ระหว่างชั้นกราวด์และชั้นกระแสสูง เพิ่มการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟระหว่างชั้นกราวด์กับชั้นกระแสสูง และส่งผลให้การรบกวนระหว่างสัญญาณขนาดเล็กสามารถแทรกแซงกับชั้นกระแสสูงได้อย่างง่ายดาย

เค้าโครงอุปกรณ์ไฟฟ้า

วงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประกอบด้วยสองลูป - ลูปกำลังและลูปควบคุมสัญญาณขนาดเล็ก ในวงจรกำลังคืออุปกรณ์ที่ส่งกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และทรานซิสเตอร์ MOS โดยจะต้องวางอุปกรณ์เหล่านี้ก่อนเริ่มต้น ในขณะเดียวกัน ลูปควบคุมสัญญาณขนาดเล็กจะมีตัวต้านทานป้อนกลับ เครือข่ายการชดเชย การตั้งค่าความถี่ และการตั้งค่ากระแสเกิน ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ตำแหน่งเฉพาะบนชิปกำลัง

การคำนวณความกว้างของสายไฟ

เนื่องจากขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟ เส้นที่แคบลงจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียและอุณหภูมิ PCB เพิ่มขึ้น

เหมาะสำหรับการคำนวณความกว้างของเส้นระหว่าง 1A ถึง 20A ด้วยกระแส โดยที่ W คือความกว้างของเส้นที่วัดเป็นหน่วย mils กระแส I วัดเป็นแอมแปร์ Tcu คือน้ำหนักทองแดงในหน่วย OZ ของวัสดุทองแดง PCB ที่ชั่งน้ำหนักในหน่วย OZ

สมมติว่าใช้กระแส 5A และน้ำหนักทองแดง 1 ออนซ์เป็นตัวอย่าง ความกว้างของเส้นขั้นต่ำที่ต้องการคือ 120 มิลลิเมตร

นี่คือสูตรเชิงประจักษ์สำหรับความกว้างของเส้น:

 เค้าโครงวนซ้ำด้วยอัตราการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันสูง

ส่วนประกอบทั้งหมด เช่น ร่องรอยของ PCB มีการเหนี่ยวนำปรสิต ความจุไฟฟ้า และความต้านทาน ซึ่งจะผันผวนตามการเปลี่ยนแปลงของกระแส การเปลี่ยนแปลงกระแสอย่างกะทันหันอาจส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้นบนตัวเหนี่ยวนำปรสิต ซึ่งเกินข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่ทนทาน และการแพร่กระจายสัญญาณรบกวนออกไปด้านนอกจะช่วยลดโอกาสในการผ่านการทดสอบ EMI อีกด้วย

รูปที่ 1 แสดงเป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจรบั๊ก

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของวงจรบั๊ก ขั้นแรก เส้นสีเขียวระบุตำแหน่งที่กระแสไหลเมื่อเปิดท่อด้านบน เส้นสีแดงแสดงถึงเส้นทางปัจจุบันเมื่อปิดเครื่อง ลูปที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูงจะมีสีเดียวเท่านั้นที่แสดงถึงส่วนของวงจรในวงจร - วิธีนี้ใช้ได้กับโทโพโลยีวงจรทั้งหมด

รูปที่ 2 วงจรบั๊กสำหรับวงอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูง

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นวงอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูงของวงจรบั๊ก โดยสีน้ำเงินแสดงถึงวงอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูง จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นดินและระนาบของมันแยกจากกัน โดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนจะมีค่าระหว่าง 0.1uF ถึง 10uF; เป็นตัวเก็บประจุแบบเซรามิกประเภท X5R หรือ X7R ที่มีคุณสมบัติตัวเหนี่ยวนำและความต้านทานปรสิตขนาดเล็ก ซึ่งให้เส้นทางการไหลของกระแสที่ดีที่อัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูง

รูปที่ 3 โครงร่างของวงจรบูสต์

รูปที่ 4 วงจรเพิ่มสำหรับวงอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่

เช่นเดียวกับวงจรคู่กัน วงจรบูสต์สามารถวิเคราะห์และออกแบบได้โดยใช้วิธีเดียวกับที่ใช้กับวงจรบั๊ก (รูปที่ 3 และ 4 ตามลำดับแสดงโครงสร้างวงจรพื้นฐานของวงจรบูสต์และลูปอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่ตามลำดับ)

Hเค้าโครงโหนดอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีโหนดระหว่าง MOS ของหลอดสวิตชิ่งและไดโอดอิสระ (หรือวงจรเรียงกระแสหลอด MOS) ที่สลับอย่างรวดเร็วระหว่างแรงดันไฟฟ้ากราวด์และไฟฟ้าแรงสูง และมีอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่รวดเร็ว แรงดันไฟที่โหนดหรือที่เรียกว่า "แรงดันเสียงเรียกเข้า" เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ส่วนใหญ่

เพื่อลดการเชื่อมต่อกับสายสัญญาณขนาดเล็กที่ไวต่อเสียงรบกวน พื้นที่รอบ ๆ โหนดสวิตช์จะต้องถูกย่อให้เล็กสุด แต่โปรดจำไว้ว่าโหนดนี้ต้องไม่เล็กเกินไป!

รูปที่ 5 แผนผังโหลด SCT2360 อินพุต 12V เอาต์พุต 5V แผนผัง 6A

ดังนั้นในการออกแบบบอร์ดหลายชั้น จะเป็นประโยชน์ที่จะรวมระนาบกราวด์บนเลเยอร์ถัดไปจากโหนดสวิตช์เพื่อการแยกที่ดีขึ้นและลดการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน

SCT2360 ทำหน้าที่เป็นตัวอย่างโดยที่ L1 และ SW ตั้งอยู่ค่อนข้างใกล้กัน ควรเพิ่มการกระจายความร้อนผ่านโหนดทองแดงให้สูงสุดเพื่อลดความสามารถในการแพร่กระจายของการแพร่กระจายของเสียง Eashub ได้นำปัญหานี้มาพิจารณาเมื่อออกแบบชิป เพื่อลดการเชื่อมต่อแบบวนซ้ำระหว่าง BST และ SW (เช่น บนพินที่อยู่ติดกัน)

รูปที่ 6 เค้าโครง SCT2360

รูปแบบตัวเก็บประจุตัวกรองความถี่สูง

ตัวเก็บประจุกรองความถี่สูงเป็นส่วนสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งทำหน้าที่ป้องกันจากลูปอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่ และลดความเครียดแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น บน SCT2360 ตัวเก็บประจุ C3 จะอยู่ใกล้กับทั้ง VIN PIN และ PGND PIN ของชิปมากที่สุดผ่านทางสายเชื่อมต่อที่สั้นแต่หนา

ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างโครงร่างตัวเก็บประจุกรองความถี่สูง (ไม่มีจุดแวะ)

ตารางที่ 3 แสดงด้านล่างเป็นตัวอย่างของโครงร่างตัวเก็บประจุกรองความถี่สูง (พร้อมจุดแวะ)

เค้าโครงพลังงานหลายแบบ

ถ้าแหล่งจ่ายไฟหลายตัวที่ใช้แหล่งอินพุตร่วมกันภายในระบบไม่ได้ทำงานพร้อมกัน การติดตามแหล่งจ่ายไฟอินพุตจะต้องถูกแยกออก เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไประหว่างแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้จากการแพร่กระจายไปยังทั้งอินพุตและกราวด์ และรบกวนซึ่งกันและกัน .

ตารางที่ 4 แสดงตัวอย่างการกำหนดค่าแหล่งจ่ายไฟหลายกำลัง

สรุป:

ประมาณ 80% ของปัญหาการออกแบบ PCB ของพาวเวอร์ซัพพลายมีต้นกำเนิดมาจากโครงร่าง PCB การทุ่มเทเวลาที่เพียงพอในโครงร่าง PCB ตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถลดเวลาการแก้ไขข้อบกพร่องในภายหลังได้อย่างมาก และลดรอบการพัฒนาให้สั้นลง ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ SCT23xx ที่นำเสนอการปรับแต่งพิน PIN ของชิป สามารถช่วยลูกค้าในการเข้าถึงโครงร่าง PCB ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีที่สุด

อีชูบ มุ่งมั่นที่จะนำเสนอรายละเอียดชิปพลังงานที่โดดเด่น และยังคงสร้างผลิตภัณฑ์ชิปพลังงานคุณภาพสูงสุดเพื่อมอบโซลูชั่นที่ดีที่สุดแก่ลูกค้า