Alimentare cu zgomot redus


Indiferent dacă următorul dispozitiv funcționează cu baterie, un element solar sau se conectează la perete, va trebui să proiectați un circuit pentru a regla puterea care duce la dispozitivul dvs. Proiectarea sursei de alimentare PCB poate cuprinde mai mult decât o sursă de alimentare reală; sistemele care variază de la calculatoare personale la electrocasnice au nevoie de o sursă de alimentare pentru a converti alimentarea de curent alternativ de la perete la curent continuu cu conținut redus de zgomot.

Proiectarea sursei de alimentare PCB înseamnă mai mult decât simpla conversie între puterea de curent alternativ și curent continuu. Există probleme de integritate a puterii și a semnalului de luat în considerare, precum și probleme de gestionare termică care apar cu aparatele electronice de mare putere. De fapt, semnalul și integritatea puterii sunt strâns legate datorită modului în care funcționează circuitele integrate, iar unele surse de alimentare pot produce EMI semnificativ radiat care afectează alte părți ale unei circuite.

Nicio sursă de alimentare sau sistemul conectat la aceasta nu este imun la integritatea semnalului sau la problemele de integritate a puterii, dar implementarea unor proceduri simple de proiectare poate ajuta la prevenirea unei reproiectări. Aceste bune practici includ totul, de la aranjarea corectă a componentelor până la decuplarea/ocolirea și designul stivuirii.

Opțiuni de proiectare a sursei de alimentare PCB

Primul pas în alimentarea cu energie electrică este să alegeți tipul de alimentare pe care doriți să îl utilizați pentru dispozitivul dvs. Sursele de alimentare nereglementate sunt o opțiune necorespunzătoare pentru conversia energiei de curent alternativ de la o priză de perete la o tensiune continuă. Ieșirea din aceste surse va conține o formă de undă, deoarece ieșirea nu este netezită cu un regulator. Aplicațiile moderne utilizează o sursă de alimentare reglată, unde această creștere este minimizată.

Există două opțiuni principale pentru reglarea ieșirii de curent continuu de la sursele de alimentare: utilizarea unui regulator liniar sau a unui regulator de comutare, care uneori se numește o sursă de alimentare cu comutare. Aceste tipuri de surse de alimentare trec ieșirea continuă de la un redresor cu undă completă la un circuit de reglare, care netezește forma de undă ondulată care este suprapusă la ieșirea continuă dorită. Aceste regulatoare pot fi, de asemenea, utilizate pentru a regla direct o sursă de curent continuu ca o baterie. Regulatoarele liniare au un zgomot foarte redus, dar tind să fie voluminoase datorită utilizării radiatoarelor sau a altor măsuri de răcire active necesare pentru gestionarea termică. Disiparea semnificativă a căldurii în aceste surse de alimentare este responsabilă pentru eficiența lor scăzută.

În schimb, o sursă de alimentare cu regim de comutare oferă o eficiență mult mai mare pe o gamă largă de curenți, permițând acestor surse de alimentare să ia un factor de formă mai mic. Cu toate acestea, aceste surse de alimentare utilizează un circuit PWM pentru a netezi și regla tensiunea de ieșire, ceea ce necesită utilizarea unei componente de comutare activă (în mod normal, un MOSFET). Aceasta înseamnă că sistemul radiază EMI puternic, iar ieșirea va conține vârfuri datorate zgomotului de comutare. Acest zgomot de comutare poate apărea ca un semnal de apel la ieșire (adică EMI condus), iar acest zgomot trebuie să fie filtrat de la ieșire.

Cele mai bune practici pentru proiectarea sursei de alimentare PCB

Pentru aplicații cu putere redusă, regulatoarele liniare și regulatoarele de comutare sunt disponibile ca circuite integrate. Aceste circuite integrate sunt ideale pentru dispozitive mobile sau alte dispozitive care se pot conecta la o priză de perete, dar necesită un consum redus de energie. Indiferent de consumul de energie din dispozitivul dvs., există câteva considerații de bază pentru proiectarea PCB-ului de luat în considerare pentru a asigura integritatea puterii și integritatea semnalului.

Aspect 3D cu conexiune de alimentare la margine

În funcție de tipul regulatorului utilizat în sursa dvs. de alimentare, există câteva circuite pe care ar trebui să le luați în considerare adăugarea la placa dvs. și există câteva opțiuni simple de aspect care pot ajuta la suprimarea EMI-urilor efectuate și radiate. În caz extrem, cum ar fi cu o sursă de curent mare sau, în general, cu un regulator de comutare, poate fi necesar să includeți ecranare în placa dvs. pentru a asigura integritatea semnalului în circuitele din apropiere.

Integritate termică și de putere în proiectarea sursei de alimentare PCB

Proiectarea sursei de alimentare PCB înseamnă mai mult decât simpla conversie a energiei. Asigurarea integrității puterii la ieșirea din sursa de alimentare va ajuta la rezolvarea unor probleme de integritate a semnalului. Gestionarea termică este, de asemenea, importantă în sursele de alimentare, deoarece componentele vor disipa căldura în timpul procesului de conversie. Luați în considerare următoarele puncte în timpul proiectării sursei de alimentare PCB.

Alegerea unui regulator în proiectarea sursei de alimentare PCB

Ieșirea de la regulatoarele liniare și de comutare include un anumit zgomot, deși sursa și efectele zgomotului pe circuitele din aval vor varia. Un regulator liniar are mai puțin zgomot, dar este și mai puțin eficient și disipă mai multă căldură. În schimb, un regulator de comutare înlocuiește ondulația la intrare pentru zgomotul de comutare la ieșire. Cu toate acestea, este ușor să controlați tensiunea de ieșire de la un regulator de comutare (de exemplu, ca un convertor Buck-Boost) prin ajustarea ciclului de funcționare al semnalului PWM, care oferă acțiune de comutare. Regulatorul de comutare va disipa mult mai puțină căldură datorită eficienței sale foarte mari.

Problemele de integritate a puterii pot afecta integritatea semnalului în oricare dintre aceste urme

Opțiuni de gestionare termică pentru surse de alimentare mari reglementate

Cu surse de alimentare cu curent mare, cel mai probabil veți construi un circuit de reglare de care aveți nevoie din componente discrete, deoarece dimensiunea sistemului va fi prea mare pentru a se potrivi într-un pachet standard de circuite integrate. În acest caz, va trebui să luați în considerare câteva opțiuni de gestionare termică pentru orice circuite integrate din placa de alimentare a energiei. Dacă convertiți alimentarea de la o priză de perete la curent continuu, o soluție simplă este să montați un ventilator pe carcasă și să îl alimentați utilizând semnalul de intrare AC. Cu sursele de alimentare DC-to-DC, va trebui să utilizați un semnal PWM pentru a rula un ventilator pentru a vă răci componentele.

Stiva dvs. de straturi joacă, de asemenea, un rol în gestionarea termică. Proiectarea PCB-ului dvs. de alimentare cu energie pe o placă multistrat poate ajuta la gestionarea termică, deoarece straturile plane interne de cupru ajută la distribuirea uniformă a căldurii pe placă. Utilizarea canalelor termice și a terenurilor sub componente care disipă o cantitate semnificativă de căldură poate ajuta la transportarea rapidă a căldurii departe de aceste componente. Scopul este de a preveni formarea de puncte fierbinți în placa dvs., permițând căldura să se disipeze rapid din componentele critice.

Dacă doriți să aflați mai multe despre gestionarea termică în proiectarea sursei de alimentare PCB, citiți mai multe despre analiza termică pentru PCB-uri.

Ocolirea și decuplarea pentru integritatea energiei

Odată ce puterea este trimisă în aval către componentele dvs., diferite componente active pot provoca sărituri la sol și sunete într-o magistrală de alimentare atunci când comutatoarele IC. Acest lucru poate duce la erori de viteză de biți atunci când un număr mare de circuite integrate comută simultan, deoarece afectează puterea primită de componente și diferența de potențial între stările ON și OFF din semnalele digitale. deoarece au o diferență de tensiune mai mică între stările ON și OFF.

Aceste probleme pot fi rezolvate prin proiectarea unei rețele de decuplare și prin alegerea condensatorilor de bypass între pământ și pinii de alimentare de pe un IC. Scopul plasării condensatorilor de bypass este de a compensa modificările potențialului de sol atunci când multe circuite integrate comută simultan. În mod similar, o rețea de decuplare este proiectată pentru oscilații tranzitorii (adică sonerie) în magistrala de alimentare atunci când IC-urile de pe comutatorul de magistrală. Un instrument pentru proiectarea rețelei dvs. de furnizare a energiei și a decuplării rețelei este utilizarea instrumentelor de analiză a circuitelor pentru a proiecta rețeaua echivalentă RLC care formează aceste circuite. Cu alegerile corecte ale componentelor, puteți umple în mod critic oscilațiile tranzitorii în rețeaua de livrare a energiei și a compensa rebotul la sol.

Dacă doriți să aflați mai multe despre suprimarea tranzitorilor într-o rețea de alimentare cu energie electrică, citiți despre utilizarea simulărilor SPICE pentru analiza domeniului de timp în rețelele RLC.

Răspuns tranzitoriu într-o rețea RLC supra-amortizată

Suprimarea EMI efectuată

Zgomotul provenit de la un regulator sau de la o sursă de alimentare nereglementată poate avea impact asupra componentelor din aval și EMI condus. Zgomotul sever pe magistrala de alimentare poate afecta nivelul de ieșire de la componentele din aval. Tensiunile mari de ondulare și zgomotul de comutare într-un regulator de comutare pot crea aceste probleme, mai ales atunci când sursa de alimentare furnizează curent mare.

În acest caz, EMI efectuat ar trebui să fie filtrat de la ieșirea sursei de alimentare. Deoarece în general se dorește o ieșire de curent continuu, filtrarea poate fi utilizată pentru a îndepărta aceste componente de frecvență mai mare de la ieșirea de alimentare. Aici devin importante simulările pentru filtre, deoarece acest lucru vă ajută să alegeți componentele de care aveți nevoie pentru a vă construi filtrul.

Iată câteva informații suplimentare despre proiectarea și analiza filtrelor.

Ecranarea cu regulatoare de comutare

Regulatoarele de comutare emit EMI care poate afecta integritatea semnalului în circuitele din aval, în special în componentele analogice. Regulatoarele de comutare de nivel scăzut pot să nu producă multe probleme decât dacă sunt amplasate foarte aproape de componentele sensibile. Cu toate acestea, sursele de alimentare cu curent mare de ieșire pot provoca comutarea involuntară în circuitele digitale din apropiere sau vârfuri de zgomot în circuitele analogice, care apar ca un răspuns tranzitoriu în circuitul din apropiere.

Filtrarea opririi benzii la frecvența naturală a circuitului poate fi eficientă pentru eliminarea acestor vârfuri de curent, dar acest lucru nu este practic atunci când lucrați cu un număr mare de componente pe o placă. În schimb, este mai ușor să profitați de ecranarea oferită de planurile de sol din stiva de straturi și să aranjați componentele sensibile mai departe de regulatorul de comutare. Este posibil să fie necesar să plasați o protecție pe componentele sensibile dacă acestea sunt lângă regulatorul de comutare, deoarece acest lucru va bloca EMI radiat.

Dacă doriți să aflați câteva strategii pentru suprimarea EMI, citiți mai multe despre tehnicile de suprimare EMI în proiectarea PCB.

Cadence aduce împreună aspectul și analiza pentru proiectarea sursei de alimentare PCB

Cu regulile de dispunere necesare pentru a asigura integritatea semnalului și a puterii în sursa de alimentare și pe placa dvs. generală, veți avea nevoie de instrumentele potrivite de proiectare, analiză și aspect care să fie adaptabile oricărei aplicații. Instrumentele dvs. de proiectare și analiză a sursei de alimentare PCB ar trebui să preia datele direct din schema dvs. și să vă ajute să determinați cele mai bune alegeri de aspect pentru sistemul dvs.

Traseul și aspectul componentelor dvs. sunt esențiale în proiectarea sursei de alimentare PCB

Suita completă de instrumente de proiectare și analiză Cadence de la Cadence este adaptabilă oricărei aplicații, inclusiv designului de mare viteză. Instrumentele pentru puncte de analiză SI/PI oferă proiectanților caracteristici de analiză a integrității puterii care se aplică direct la proiectarea sursei de alimentare a PCB. Veți avea acces la o soluție completă de proiectare și analiză electronică atunci când lucrați cu suita Cadence din industria standard de instrumente de proiectare.

Dacă doriți să aflați mai multe despre modul în care Cadence are soluția pentru dvs., discutați cu noi și cu echipa noastră de experți.

Despre autor

Soluțiile Cadence PCB sunt un instrument complet de proiectare față în spate pentru a permite crearea rapidă și eficientă a produselor. Cadența permite utilizatorilor să scurteze cu precizie ciclurile de proiectare pentru a le transmite producției prin standardul industrial IPC-2581 modern.

Urmăriți pe Linkedin Vizitați site-ul web Mai mult conținut de Cadence PCB Solutions
Articolul anterior

proiectarea

Examinați utilizarea termică prin tablouri pentru disiparea căldurii și îmbunătățirea performanței circuitului.

Articolul următor

Un transformator flyback este util pentru stocarea energiei de înaltă eficiență și conversia de tensiune, totuși, matchin.