Рецепти оптимального розташування джерела живлення в режимі перемикання All-Electronics
Ключові дані
Час, вкладений у ретельне прокладання ланцюга живлення, багато в чому окупається, що призводить до ефективного, малошумного електроживлення. Тоді джерело живлення стає надійним фундаментом для решти ланцюгів, забезпечуючи необхідний потенціал чистого живлення та заземлення для кожної ланцюга, що також робить пошук несправностей інших ланцюгів відносно легким. Навколо спорадичних або періодичних несправностей може обернутися справжнім кошмаром, якщо напруга живлення та земля залежать від порушень. Кваліфіковані інженери ніколи не помиляються, недооцінюючи важливість схеми живлення, приділяючи їй мінімальну увагу.
Так само, здавалося б, незначна проблема в компонуванні джерела живлення може мати наслідки для всієї системи і зруйнувати всю схему. Якщо у вас немає практичного досвіду в розробці аналогових схем, можливо, ви захочете передати це найдосвідченішому дизайнеру в групі, аргументуючи це тим, що мова йде лише про джерело живлення. Але це не позбавлено небезпеки. Зрештою, навіть досвідчений архітектор не врятує, коли йдеться про бездоганну статику будівлі - особливо, якщо мова йде про фундамент. Подібним чином досвідчений аналоговий конструктор не буде недооцінювати значення стабільного джерела живлення та заземлення, які в кінцевому рахунку становлять основу надійно функціонуючої схеми.
Зображення 1: Вид президентського палацу Гаїті, зруйнованого в результаті землетрусу. Максим інтегрований
Зважаючи на вирішальну роль, яку відіграє хороший фундамент, ця стаття надає корисну інформацію з питань живлення та заземлення, а також схеми друкованих плат та системи. Вирішено такі питання, як саме джерело живлення, центральні точки заземлення та роз'єднання джерела живлення для декількох частот. Крім того, показано, як розміщення компонентів може бути спрямоване так, щоб петлі, в яких протікають сильні комутаційні струми, охоплювали якнайменшу площу.
Фото 2: Найменші тріщини в фундаменті як передвістя катастрофічних наслідків. Максим інтегрований
Загальні помилки в компонуванні друкованої плати
а) Відфільтруйте шум
Ідеальний блок живлення перетворює змінний струм, який надходить до приватних домогосподарств та комерційних будівель і, отже, до незліченних електронних пристроїв через загальнодоступну мережу, до постійного струму, необхідного електронним схемам. В ідеальному випадку постійний струм не має шуму і не має пульсацій або гармонік від мережі змінного струму. Тоді земля, яка служить опорним потенціалом для подачі постійного струму, є абсолютно чистою і вільною від перешкод. Стільки про ідеальну ситуацію. Однак, як інженер, ви швидко дізнаєтесь, що реальний світ - це все, що завгодно, але не ідеальний, і ви повинні використовувати всі свої знання та вміння, щоб досягти бажаних результатів, незважаючи на неідеальні умови.
Рисунок 3: Дросель з компенсацією струму як лінійний фільтр. Максим інтегрований
Перш за все, важливо розуміти робоче середовище та усвідомлювати той факт, що часто присутні високочастотні перешкоди від зовнішніх передавачів. Сюди можуть входити цифрові схеми, розташовані на одній і тій же платі. При підключенні до мережі змінного струму часто бажаний фільтр, як показано на малюнку 3. Цей фільтр захищає пристрій з обох сторін. Потрібно перевірити, чи випромінює пристрій перешкоди і, навпаки, чи чутливий він до перешкод ззовні. З одного боку, фільтр запобігає потраплянню в пристрій змінних збурень з електромережі, а з іншого боку, гарантує, що сам пристрій не випромінює в мережу змінних збурень.
б) Центральні наземні точки зменшують шум
Загалом багатошарові друковані плати з великим джерелом живлення та заземлення забезпечують найкращу цілісність сигналу.
Рисунок 4: Помилка відмов у системі. Зворотні струми не подаються окремо від кожної частини ланцюга до центральної точки заземлення. Максим інтегрований
Рисунок 5: Правильне підключення до центрального джерела живлення та точок заземлення (які тут вважаються безшумними). Максим інтегрований
в) Роз'єднання шуму джерела живлення
Припущення на малюнку 5 про відсутність шумів у центральному блоці живлення та заземленні означає, що джерело живлення та заземлення є однорідними в цих точках і що між ними немає диференціального шуму. В ідеалі вихід блоку живлення має імпеданс майже нульовий або обладнаний роз'єднувальними конденсаторами, які мають низький ефективний послідовний опір (ESR) на відповідних частотах. Лінії, за допомогою яких окремі частини ланцюга підключені до центрального джерела живлення та точок заземлення, мають певний послідовний опір і певну індуктивність. Цей послідовний опір та індуктивність використовуються для ізоляції шумних контурів від чистих ланцюгів. Разом з роз'єднуючими конденсаторами на виході кожної схеми послідовний опір та індуктивність утворюють тут фільтр низьких частот. Однак, якщо лінії до певних частин ланцюга відносно короткі, можливо, доведеться додати дискретні резистори та котушки індуктивності.
Малюнок 6: Ця еквівалентна схема справжнього конденсатора показує паразитні компоненти. Максим інтегрований
Роз'єднання важко, оскільки конденсатори мають індуктивність витоку. Справжній конденсатор виглядає як послідовна схема, що складається з резистора, індуктивності та конденсатора (рис. 6). На низьких частотах ємність домінує. Однак над природною частотою (саморезонансна частота - SRF), насічки на кривих на малюнку 7 вказують на точку, з якої конденсатор діє як індуктивність. Для цілей роз'єднання конденсатор можна використовувати лише в діапазоні частот, який близький до або нижче його власної частоти, оскільки тут конденсатор має низький опір на відповідній частоті.
Рис. 7: Характеристики шести конденсаторів з різною ємністю показують відповідну власну частоту. Максим інтегрований
На рисунку 7 власні частоти конденсаторів з різною ємністю можна чітко побачити з вирізів на характерних кривих. Чітко видно, що конденсатори з вищими значеннями ємності мають кращий ефект роз'єднання (тобто менший імпеданс), ніж конденсатори з меншою ємністю на низьких частотах. Безкоштовно пропоновані програми для спецій підходять для відображення власної частоти конденсаторів.
Помилки компонування, пов'язані з перемиканням ІС джерел живлення
Рисунок 8: Спрощена електрична схема з MAX17501 з сімейства імпульсних джерел живлення в Гімалаях. Максим інтегрований
На малюнку 8 виділяються два різні символи маси (трикутники). Вони позначають точки крутими, високими імпульсами струму комутації. Важливо ізолювати ці точки від заземлення підключень аналогових ланцюгів з малим сигналом або від опорного заземлення.
Як ви можете бачити, на малюнку 8 керамічний вхідний конденсатор фільтра (C1) розміщений біля VIN-з'єднання пристрою. Конденсатор діє як резервуар енергії для згладжування імпульсів на лінії електроживлення, який би повернувся до джерела постійного струму без цього конденсатора. Залежно від крутизни комутаційних імпульсів, цей вхідний конденсатор фільтра може складатися з декількох окремих конденсаторів різних розмірів, щоб охопити великий діапазон частот. Байпасний конденсатор для з'єднання VCC також повинен бути розміщений якомога ближче до цього з'єднання. Цей конденсатор теж, можливо, повинен складатися з декількох окремих конденсаторів. В інтересах максимально ефективного відведення тепла під відкритою подушкою компонента слід розташувати кілька теплових отворів (покритих отворів).
Рисунок 9: Ізоляція між масами та центральною точкою маси та контуром сильного струму (пунктирна червона лінія). Максим інтегрований
Вирішальне значення для стабільної роботи
Струмовий контур, показаний на малюнку 9, є найважливішою частиною імпульсного джерела живлення. Для стабільної роботи надзвичайно важливо ізолювати дві маси одна від одної, оскільки навіть невеликі коливання в цей момент можуть мати катастрофічні наслідки для ефективності, шуму та електромагнітних та високочастотних перешкод (EMI та RFI). Оскільки в цій петлі протікають імпульсні струми, доріжки провідників повинні бути якомога коротшими і якомога ширшими в інтересах низької індуктивності витоку. Прості модифікації цього поточного циклу можуть означати різницю між хорошим і поганим макетом. У гонитві за якомога меншим циклом поганий макет можна покращити на 20%. Просто поворот індуктивності на 90 ° приносить поліпшення. Для зменшення послідовної індуктивності віаз можна паралельно підключити дві, чотири або навіть більше діаметрів, якщо потрібно.
На малюнку 9 видно, що круговий символ Via містить ще одне маленьке коло. Це підключення заземлення (трикутні символи на електричній схемі), які підключені до площини заземлення на нижній стороні друкованої плати та до центральної точки заземлення. Наскрізні кола з X в них символізують грунт для опорного сигналу та стабільності сигналу. Вони з'єднані з окремою зоною на нижній стороні дошки і з'єднані з основною площею землі в центральній точці заземлення. Заземлення для аналогових ланцюгів малого сигналу та еталон повинні бути відокремленими від землі для комутаційних струмів. Обидва повинні бути з'єднані між собою в точці, в якій активність перемикання мінімальна (тобто в центральній точці наземного зв'язку). Зазвичай підключення здійснюється до заземлення підключення перепускного конденсатора для VCC.
Символ прохідного кола зі знаком плюс символізує зв’язок між вихідною напругою та штифтом зворотного зв'язку. Це повинно бути відведено від індуктивності та сильної струму якомога швидше. Серійний резистор R4 слід розміщувати якомога ближче до виводу зворотного зв'язку, оскільки він утворює фільтр низьких частот разом із вхідною ємністю виводу зворотного зв'язку (рис. 10).
Рисунок 10: Якщо R4 знаходиться близько до вихідного виводу, довга лінія до виводу зворотного зв'язку (FB/VO) виконує роль антени. Максим інтегрований
Дизайнер з невеликим досвідом компонування може, переглянувши електричну схему, розташувати резистор R4 поблизу вихідного штифта, як показано на малюнку 10. Однак, оскільки індуктивність спроектована як неекранований дріт, що обмотується навколо феритового сердечника, він посилює електромагнітні поля, вкраплені в штифт зворотного зв'язку (пунктирне коло оранжевим кольором). Це, в свою чергу, призводить до нестабільності, оскільки лінія між контактом зворотного зв'язку та R4 виконує роль антени і приймає перемикаючі краї. На малюнку 11 лінія A є джерелом високого рівня, тоді як лінія B є приймачем високого імпедансу. Перехресні перешкоди можна зменшити, розмістивши лінію В на більшій відстані або зменшивши її імпеданс.
Малюнок 11: Перехресні перешкоди можна мінімізувати, якщо правильно прокласти провідні колії. Поєднання R4 та "C внутрішнього" функціонує як низька частота та гасить перехресні перешкоди. Максим інтегрований
Перевірте гармоніку
Навіть якщо фактична частота перемикання знаходиться лише в двозначному діапазоні кілогерц, це гармоніки перемикаючих країв, що призводять до перехресних перешкод і випромінюваних перешкод. Частоти цих гармонік можуть досягати багатьох сотень мегагерц і ними потрібно керувати. Тому рішення, зображене на малюнку 12, полегшує з'єднання вихідного штифта та штифта зворотного зв'язку між собою. Доріжка провідника тримається подалі від петлі сильного струму (рис. 9) та індуктивності L1, а R4 гасить будь-які перешкоди (позначені помаранчевими колами). Розміщення R4 біля контакту зворотного зв'язку MAX17501 покращує ефект низьких частот поєднання R4 та внутрішньої ємності.
Рисунок 12: Ефекти перехресних перешкод між лініями можуть мати ємнісний, магнітний або електростатичний характер (або їх комбінацію). Максим інтегрований
Для того, щоб пояснити основні принципи, тут описано найпростіший компонент компонента з внутрішніми комутаційними транзисторами. Компоненти із зовнішніми транзисторами викладені в інших навчальних посібниках та примітках до програми Maxim Integrated (див. Інтернет-версію).