Recepty na optimálne rozloženie zdroja napájania v režime prepínača All-Electronics
Kľúčové údaje
Čas investovaný do starostlivého rozloženia napájacieho obvodu sa mnohými spôsobmi vypláca, čo vedie k efektívnemu napájaniu s nízkym šumom. Napájací zdroj sa potom stáva pevným základom pre ostatné obvody tým, že poskytuje čisté napájacie a uzemňovacie potenciály potrebné pre každý obvod, čo tiež umožňuje relatívne ľahké riešenie problémov s ostatnými obvodmi. Obiehanie sporadických alebo prerušovaných porúch sa môže zmeniť na skutočnú nočnú moru, ak sú rušením ovplyvnené napájacie napätie a zem. Odborní inžinieri nikdy neurobia chybu, že podcenia dôležitosť rozloženia napájacieho zdroja tým, že mu budú venovať minimálnu pozornosť.
Podobne zdanlivo nepodstatný problém v usporiadaní napájacieho zdroja môže mať dôsledky na celý systém a zničiť celý obvod. Každý, kto nemá praktické skúsenosti s navrhovaním analógových obvodov, ho môže preniesť na neskúseného dizajnéra v tíme s argumentom, že koniec koncov ide „iba“ o napájanie. Nie je to však bez nebezpečenstva. Koniec koncov, ani skúsený architekt nezachráni, pokiaľ ide o bezchybnú statiku budovy - najmä pokiaľ ide o základy. Rovnako znalý analógový dizajnér nepodcení význam stabilného napájacieho zdroja a uzemnenia, ktoré v konečnom dôsledku tvoria základ pevne fungujúceho obvodu.
Obrázok 1: Pohľad na prezidentský palác na Haiti, ktorý bol zničený pri zemetrasení. Maxim Integrovaný
Vzhľadom na zásadnú úlohu, ktorú hrá dobrý základ, poskytuje tento článok užitočné informácie o témach napájania a uzemnenia, ako aj o plošných spojoch a usporiadaní systému. Riešia sa veci ako samotný napájací zdroj, centrálne uzemňovacie body a odpojenie napájacieho zdroja pre niekoľko frekvencií. Ďalej sa ukazuje, ako možno nasmerovať umiestnenie komponentov tak, aby slučky, v ktorých prúdia vysoké spínacie prúdy, ohraničovali čo najmenšiu plochu.
Obrázok 2: Najmenšie praskliny v podklade ako predzvesť katastrofických účinkov. Maxim Integrovaný
Všeobecné chyby v usporiadaní DPS
a) Odfiltrujte hluk
Ideálny zdroj napájania premieňa striedavý prúd, ktorý sa dostáva do domácností a komerčných budov, a teda na nespočetné množstvo elektronických zariadení cez verejnú sieť, na jednosmerný prúd požadovaný pre elektronické obvody. V ideálnom prípade je jednosmerný prúd bez šumu a bez zvlnenia alebo harmonických zo siete striedavého prúdu. Zem, ktorá slúži ako referenčný potenciál pre napájanie jednosmerným prúdom, je potom absolútne čistá a bez rušenia. Toľko ideálna situácia. Ako inžinier však rýchlo zistíte, že skutočný svet je všetko, len nie ideálny, a že musíte do hry zapojiť všetky svoje vedomosti a zručnosti, aby ste dosiahli neželané podmienky, aby ste dosiahli požadované výsledky.
Obrázok 3: Tlmivka s kompenzáciou prúdu ako sieťový filter. Maxim Integrovaný
Najskôr je dôležité porozumieť operačnému prostrediu a uvedomiť si, že často dochádza k vysokofrekvenčnému rušeniu od externých vysielačov. To môže zahŕňať digitálne obvody, ktoré sú umiestnené na rovnakej doske s obvodmi. Pri pripájaní k elektrickej sieti je často potrebný filter znázornený na obrázku 3. Tento filter chráni zariadenie z oboch strán. Musí sa skontrolovať, či zariadenie vyžaruje rušenie a či naopak nie je citlivé na rušenie zvonka. Na jednej strane filter zabraňuje vstupu rušivých veličín z elektrickej siete do zariadenia a na druhej strane zaisťuje, že samotné zariadenie nevyžaruje do siete žiadne rušivé veličiny.
b) Centrálne zemné body znižujú hluk
Všeobecne poskytujú viacvrstvové dosky s plošnými spojmi s veľkým zdrojom napájania a uzemňovacími plochami najlepšiu integritu signálu.
Obrázok 4: Chyba odrazu od zeme v systéme. Spätné prúdy nie sú vedené jednotlivo z každej časti obvodu do centrálneho uzemňovacieho bodu. Maxim Integrovaný
Obrázok 5: Správne pripojenie k centrálnemu napájaciemu zdroju a uzemňovacím bodom (tu sa predpokladá, že sú bez šumu). Maxim Integrovaný
c) Oddelenie šumu napájacieho zdroja
Predpoklad na obrázku 5, že centrálne napájanie a uzemňovacie body neobsahujú šum, znamená, že napájanie a zem sú v týchto bodoch homogénne a že medzi nimi nie je žiadny rozdielny šum. V ideálnom prípade má výstup napájacej jednotky impedanciu takmer nulovú alebo je vybavený oddeľovacími kondenzátormi, ktoré majú pri príslušných frekvenciách nízky efektívny sériový odpor (ESR). Vedenia, cez ktoré sú jednotlivé časti obvodu pripojené k centrálnemu napájaciemu a zemnému bodu, majú určitý sériový odpor a určitú indukčnosť. Tento sériový odpor a indukčnosť sa používa na izoláciu hlučných obvodov od čistých obvodov. Spolu s oddeľovacími kondenzátormi na výstupe každého obvodu tvorí tu sériový odpor a indukčnosť dolnopriepustný filter. Ak sú však vedenia do určitých častí obvodu relatívne krátke, bude pravdepodobne potrebné pridať diskrétne odpory a tlmivky.
Obrázok 6: Tento ekvivalentný obvod skutočného kondenzátora zobrazuje parazitné komponenty. Maxim Integrovaný
Oddelenie je náročné, pretože kondenzátory majú zvodovú indukčnosť. Skutočný kondenzátor vyzerá ako sériový obvod zložený z odporu, tlmivky a kondenzátora (obrázok 6). Pri nízkych frekvenciách dominuje kapacita. Nad prirodzenou frekvenciou (Self-Resonant Frequency - SRF) však zárezy v krivkách na obrázku 7 naznačujú bod, od ktorého kondenzátor funguje ako indukčnosť. Na účely oddelenia sa kondenzátor môže použiť iba v kmitočtovom rozsahu, ktorý je blízko alebo pod svojou prirodzenou frekvenciou, pretože tu má kondenzátor pri príslušnej frekvencii nízku impedanciu.
Obrázok 7: Charakteristiky šiestich kondenzátorov s rôznymi kapacitami ukazujú príslušnú prirodzenú frekvenciu. Maxim Integrovaný
Na obrázku 7 sú zo zárezov v charakteristických krivkách jasne viditeľné prirodzené frekvencie kondenzátorov s rôznymi kapacitami. Je zreteľne vidieť, že kondenzátory s vyššími hodnotami kapacity majú lepší oddeľovací efekt (to znamená menšiu impedanciu) ako kondenzátory s nižšou kapacitou pri nízkych frekvenciách. Programy korenia ponúkané zadarmo sú vhodné na zobrazenie vlastnej frekvencie kondenzátorov.
Chyby rozloženia týkajúce sa prepínania integrovaných obvodov napájacieho zdroja
Obrázok 8: Zjednodušená schéma zapojenia s MAX17501 z rodiny spínaných napájacích zdrojov z Himalájí. Maxim Integrovaný
Na obrázku 8 vynikajú dva rôzne hromadné symboly (trojuholníky). Tieto označujú body strmými impulzmi vysokého spínacieho prúdu. Je dôležité izolovať tieto body od uzemňovacích pripojení analógových obvodov s malým signálom alebo od referenčného uzemnenia.
Ako môžete vidieť, na obrázku 8 bol keramický vstupný filtračný kondenzátor (C1) umiestnený v blízkosti pripojenia VIN zariadenia. Kondenzátor slúži ako zásobník energie na vyhladzovanie impulzov na napájacom vedení, ktoré by sa bez tohto kondenzátora vracali k jednosmernému napájaciemu zdroju. V závislosti na strmosti spínacích impulzov môže byť tento vstupný filtračný kondenzátor zložený z niekoľkých samostatných kondenzátorov rôznych veľkostí, aby pokryl veľký frekvenčný rozsah. Obtokový kondenzátor pre pripojenie VCC by mal byť tiež umiestnený čo najbližšie k tomuto pripojeniu. Aj tento kondenzátor môže byť zložený z niekoľkých samostatných kondenzátorov. V záujme čo najefektívnejšieho odvádzania tepla by malo byť pod odkrytou podložkou komponentu usporiadaných niekoľko tepelných priechodov (pozlátené otvory).
Obrázok 9: Izolácia medzi hmotami a centrálnym hmotným bodom a silnoprúdovou slučkou (prerušovaná červená čiara). Maxim Integrovaný
Rozhodujúce pre stabilnú prevádzku
Prúdová slučka znázornená na obrázku 9 je najdôležitejšou časťou napájaného zdroja v režime prepínania. Pre stabilnú prevádzku je nevyhnutné izolovať tieto dve masy od seba, pretože aj malé výkyvy v tomto bode môžu mať katastrofické účinky na účinnosť, hluk a elektromagnetické a vysokofrekvenčné rušivé emisie (EMI a RFI). Pretože v tejto slučke prúdia impulzné prúdy, musia byť vodivé dráhy v záujme nízkej únikovej indukčnosti čo najkratšie a najširšie. Jednoduché úpravy tejto prúdovej slučky môžu znamenať rozdiel medzi dobrým a zlým usporiadaním. V snahe o čo najmenšiu slučku sa dá zlé rozloženie vylepšiť o 20%. Samotné otočenie indukčnosti o 90 ° prináša zlepšenie. Na zníženie sériovej indukčnosti priechodov je možné podľa potreby zapojiť paralelne dva, štyri alebo dokonca viac priechodov.
Na obrázku 9 môžete vidieť, že kruhový symbol Via obsahuje ďalší malý kruh. Jedná sa o uzemňovacie spojenia (trojuholníkové symboly v schéme zapojenia), ktoré sú spojené s uzemňovacou rovinou na spodnej strane dosky plošných spojov a s centrálnym uzemňovacím bodom. Kruhy via s X v nich symbolizujú zem pre referenciu a stabilitu signálu. Sú pripojené k samostatnej oblasti na spodnej strane dosky a pripojené k hlavnej pozemnej oblasti v centrálnom zemnom bode. Uzemnenie pre analógové obvody malého signálu a referencia sa musia pre spínacie prúdy udržiavať oddelene od zeme. Oba by mali byť navzájom spojené v bode, v ktorom sú spínacie aktivity minimálne (t. J. V centrálnom uzemňovacom bode). Zvyčajne sa pripojenie uskutočňuje na zemné pripojenie obtokového kondenzátora pre VCC.
Symbol via circle so znamienkom plus symbolizuje spojenie medzi výstupným napätím a pinom spätnej väzby. Toto musí byť čo najrýchlejšie vyvedené z indukčnosti a silnoprúdovej slučky. Sériový rezistor R4 by mal byť umiestnený čo najbližšie k kolíku spätnej väzby, pretože tvorí dolnopriepustný filter spolu so vstupnou kapacitou kolíka spätnej väzby (obrázok 10).
Obrázok 10: Ak je R4 blízko výstupného kolíka, dlhá čiara k kolíku spätnej väzby (FB/VO) funguje ako anténa. Maxim Integrovaný
Dizajnér s malými skúsenosťami s usporiadaním by mohol po prezeraní schémy zapojenia umiestniť rezistor R4 blízko výstupného kolíka, ako je to znázornené na obrázku 10. Pretože je však indukčnosť navrhnutá ako netienený drôt vinutý okolo feritového jadra, zosilňuje elektromagnetické polia rozptýlené v kolíku spätnej väzby (prerušovaná kružnica v oranžovej farbe). To zase vedie k nestabilite, pretože linka medzi kolíkom spätnej väzby a R4 funguje ako anténa a prijíma spínacie hrany. Na obrázku 11 je linka A zdrojom vysokej úrovne, zatiaľ čo linka B je vysokoimpedančný prijímač. Presluchy je možné znížiť umiestnením vedenia B do väčšej vzdialenosti alebo znížením jeho impedancie.
Obrázok 11: Presluchy je možné minimalizovať správnym položením vodivých stôp. Kombinácia R4 a „C internal“ funguje ako low pass a tlmí presluchy. Maxim Integrovaný
Skontrolujte harmonické
Aj keď je skutočná spínacia frekvencia iba v dvojcifernom rozsahu kilohertzov, sú to harmonické hodnoty spínacích hrán, ktoré vedú k presluchom a vyžarovanému rušeniu. Frekvencie týchto harmonických môžu byť až stovky megahertzov a musia byť regulované. Riešenie zobrazené na obrázku 12 preto uľahčuje vzájomné pripojenie výstupného a spätnoväzbového kolíka. Dráha vodiča je držaná ďalej od silnoprúdovej slučky (obr. 9) a indukčnosť L1 a R4 tlmí akékoľvek rušenie (označené oranžovými kruhmi). Umiestnenie R4 blízko spätnoväzbového kolíka MAX17501 zlepšuje low-pass efekt kombinácie R4 a vnútornej kapacity.
Obrázok 12: Presluchy medzi riadkami môžu byť kapacitnej, magnetickej alebo elektrostatickej povahy (alebo ich kombinácie). Maxim Integrovaný
Na objasnenie základných princípov je tu opísané najjednoduchšie možné usporiadanie komponentu s internými spínacími tranzistormi. Komponenty s externými tranzistormi sú obsiahnuté v iných návodoch a poznámkach k aplikácii Maxim Integrated (pozri online verziu).