Rețete pentru o dispunere optimă a sursei de alimentare în modul de comutare All-Electronics
Date esentiale
Timpul investit în amenajarea cu atenție a unui circuit de alimentare cu energie se plătește în multe feluri, rezultând o alimentare eficientă, cu zgomot redus. Sursa de alimentare devine apoi o bază solidă pentru restul circuitelor prin furnizarea de surse curate și potențiale de masă necesare pentru fiecare circuit, ceea ce face, de asemenea, depanarea celorlalte circuite relativ ușoară. Circularea defectelor sporadice sau intermitente se poate transforma într-un adevărat coșmar dacă tensiunea de alimentare și solul sunt afectate de perturbări. Inginerii calificați nu fac niciodată greșeala de a subestima importanța aspectului sursei de alimentare, acordându-i o atenție minimă.
În mod similar, o problemă aparent nesemnificativă în aspectul sursei de alimentare poate avea repercusiuni asupra întregului sistem și poate distruge întregul circuit. Dacă nu aveți experiență practică în proiectarea circuitelor analogice, poate doriți să transferați acest lucru celui mai neexperimentat designer din echipă, argumentând că este vorba „doar” de sursa de alimentare. Dar acest lucru nu este lipsit de pericol. La urma urmei, chiar și un arhitect cu experiență nu va economisi atunci când vine vorba de statica impecabilă a unei clădiri - mai ales când vine vorba de fundație. La fel, un proiectant analogic bine informat nu va subestima importanța unei surse de alimentare și a unei soluri stabile, care în cele din urmă formează fundamentul unui circuit care funcționează solid.
Imaginea 1: Vedere a palatului prezidențial din Haiti care a fost distrus într-un cutremur. Maxim integrat
Având în vedere rolul crucial pe care îl joacă o fundație bună, acest articol oferă informații utile cu privire la subiectele sursei de alimentare și la împământare, precum și a plăcilor de circuit și a aspectului sistemului. Sunt abordate lucruri precum sursa de alimentare în sine, punctele centrale de masă și decuplarea sursei de alimentare pentru mai multe frecvențe. În plus, se arată cum poate fi direcționată amplasarea componentelor astfel încât buclele în care curenții mari de comutare curg să cuprindă cea mai mică zonă posibilă.
Imaginea 2: Cele mai mici fisuri din fundație ca un vestitor al efectelor catastrofale. Maxim integrat
Erori generale în aspectul PCB
a) Filtrează zgomotul
O unitate de alimentare ideală convertește curentul alternativ care ajunge la gospodăriile private și clădirile comerciale și, astfel, nenumărate dispozitive electronice prin intermediul rețelei publice în curentul direct cerut de circuitele electronice. În mod ideal, curentul continuu nu are zgomot și este liber de ondulații sau armonici din rețeaua de curent alternativ. Pământul, care servește ca potențial de referință pentru alimentarea cu curent continuu, este atunci absolut pur și fără interferențe. Atât pentru situația ideală. Cu toate acestea, ca inginer, înveți repede că lumea reală este orice în afară de ideală și că trebuie să îți pui în joc toate cunoștințele și abilitățile pentru a obține rezultatele dorite, în ciuda condițiilor non-ideale.
Figura 3: Inductie compensată de curent ca filtru de linie. Maxim integrat
În primul rând, este important să înțelegem mediul de operare și să fim conștienți de faptul că interferențele de înaltă frecvență de la emițătoarele externe sunt deseori prezente. Printre altele, acestea pot fi circuite digitale care se află pe aceeași placă de circuite. La conectarea la rețeaua de curent alternativ, este deseori de dorit un filtru așa cum se arată în Figura 3. Acest filtru protejează dispozitivul de ambele părți. Trebuie verificat dacă dispozitivul emite interferențe și, dimpotrivă, dacă este sensibil la interferențe din exterior. Pe de o parte, filtrul împiedică intrarea în dispozitiv a variabilelor de perturbare din rețeaua electrică și, pe de altă parte, asigură faptul că dispozitivul însuși nu emite nicio variabilă de perturbare în rețea.
b) Punctele centrale la sol reduc zgomotul
În general, plăcile de circuite multistrat cu surse mari de alimentare și zone de masă oferă cea mai bună integritate a semnalului.
Figura 4: Eroare de respingere la sol într-un sistem. Curenții de retur nu sunt direcționați individual de la fiecare parte a circuitului la punctul central de masă. Maxim integrat
Figura 5: Conexiunea corectă la sursa centrală de alimentare și la punctele de masă (care se presupune că sunt fără zgomot aici). Maxim integrat
c) Decuplarea zgomotului sursei de alimentare
Presupunerea din Figura 5 că sursa de alimentare centrală și punctele de masă sunt lipsite de zgomot înseamnă că sursa de alimentare și masă sunt omogene în aceste puncte și că nu există zgomot diferențial între cele două. În mod ideal, ieșirea unității de alimentare are o impedanță de aproape zero sau este echipată cu condensatori de decuplare care au o rezistență serie redusă (ESR) la frecvențele relevante. Liniile prin care sunt conectate părțile individuale ale circuitului la sursa centrală de alimentare și la punctele de masă au o anumită rezistență în serie și o anumită inductanță. Această rezistență și inductanță din serie este utilizată pentru a izola circuitele zgomotoase de circuitele curate. Împreună cu condensatorii de decuplare la ieșirea fiecărui circuit, rezistența și inductanța seriei formează aici un filtru trece-jos. Cu toate acestea, dacă liniile către anumite părți ale circuitului sunt relativ scurte, este posibil să fie nevoie să se adauge rezistențe și inductoare discrete.
Figura 6: Acest circuit echivalent al unui condensator real prezintă componentele parazite. Maxim integrat
Decuplarea este dificilă, deoarece condensatoarele au inductanță de scurgere. Un condensator real arată ca un circuit de serie format dintr-un rezistor, un inductor și un condensator (Figura 6). La frecvențe joase, domină capacitatea. Deasupra frecvenței naturale (Frecvența de auto-rezonanță - SRF), totuși, crestăturile din curbele din Figura 7 indică punctul din care condensatorul acționează ca o inductanță. În scopuri de decuplare, un condensator poate fi utilizat numai într-o gamă de frecvențe apropiată sau sub frecvența sa naturală, deoarece aici condensatorul are o impedanță scăzută la frecvența relevantă.
Fig. 7: Caracteristicile a șase condensatoare cu capacități diferite arată frecvența naturală respectivă. Maxim integrat
În Figura 7, frecvențele naturale ale condensatoarelor cu capacități diferite pot fi văzute clar de pe crestăturile din curbele caracteristice. Se poate vedea clar că condensatoarele cu valori de capacitate mai mari au un efect de decuplare mai bun (adică o impedanță mai mică) decât condensatoarele cu o capacitate mai mică la frecvențe joase. Programele de condimente oferite gratuit sunt potrivite pentru afișarea frecvenței naturale a condensatoarelor.
Erori de aspect legate de comutatoarele IC ale sursei de alimentare
Figura 8: Diagrama circuitului simplificat cu MAX17501 din familia de surse de alimentare în modul comutat Himalaya. Maxim integrat
În Figura 8 se evidențiază cele două simboluri de masă diferite (triunghiuri). Aceste puncte marchează cu impulsuri de curent de comutare ridicate. Este important să izolați aceste puncte de conexiunile la masă ale circuitelor analogice cu semnal mic sau de la masa de referință.
După cum puteți vedea, un condensator filtru de intrare ceramic (C1) a fost amplasat lângă conexiunea VIN a dispozitivului din Figura 8. Condensatorul acționează ca un rezervor de energie pentru netezirea impulsurilor de pe linia de alimentare care ar reveni la sursa de curent continuu fără acest condensator. În funcție de abruptitatea impulsurilor de comutare, acest condensator de filtrare de intrare poate fi compus din mai mulți condensatori individuali de diferite dimensiuni, pentru a acoperi o gamă largă de frecvențe. Condensatorul de bypass pentru conexiunea VCC ar trebui, de asemenea, să fie așezat cât mai aproape posibil de această conexiune. Și acest condensator trebuie să fie compus din mai mulți condensatori individuali. În interesul unei disipări a căldurii cât mai eficiente posibil, ar trebui aranjate câteva conducte termice (găuri placate) sub plăcuța expusă a componentei.
Figura 9: Izolarea dintre mase și punctul central de masă și bucla de curent mare (linie roșie punctată). Maxim integrat
Crucial pentru o funcționare stabilă
Bucla de curent prezentată în Figura 9 este cea mai importantă parte a sursei de alimentare în modul comutat. Este esențial pentru o funcționare stabilă izolarea celor două mase una de cealaltă, deoarece chiar și fluctuații mici în acest moment pot avea efecte catastrofale asupra eficienței, zgomotului și emisiilor de interferențe electromagnetice și de înaltă frecvență (EMI și RFI). Deoarece curenții pulsanți curg în această buclă, pistele conductoare trebuie să fie cât mai scurte și cât mai largi posibil, în interesul inductanței scăzute de scurgere. Modificările simple ale acestei bucle curente pot însemna diferența dintre un aspect bun și un aspect prost. În căutarea celei mai mici bucle posibile, un aspect prost poate fi îmbunătățit cu 20%. Doar rotirea inductanței cu 90 ° aduce o îmbunătățire. Pentru a reduce inductanța de serie a unui vias, două, patru sau chiar mai multe vias pot fi conectate în paralel, după cum este necesar.
În Figura 9 puteți vedea că simbolul circular Via conține un alt cerc mic. Acestea sunt conexiunile de masă (simbolurile triunghiulare din diagrama circuitului) care sunt conectate la planul de masă de pe partea inferioară a plăcii de circuit și la punctul central de masă. Cercurile via cu un X în ele simbolizează solul pentru referință și stabilitatea semnalului. Acestea sunt conectate la o suprafață separată pe partea inferioară a plăcii de circuit și conectate la suprafața principală de împământare în punctul central de masă. Masa pentru circuitele analogice de semnal mic și referința trebuie păstrate separate de masă pentru curenții de comutare. Ambele ar trebui să fie conectate între ele în punctul în care activitățile de comutare sunt minime (adică în punctul central de masă). De obicei, conexiunea se face la conexiunea la masă a condensatorului de bypass pentru VCC.
Simbolul cercului via cu semnul plus simbolizează conexiunea dintre tensiunea de ieșire și pinul de feedback. Aceasta trebuie direcționată departe de inductanță și bucla de curent mare cât mai repede posibil. Rezistorul de serie R4 trebuie amplasat cât mai aproape posibil de pinul de feedback, deoarece formează un filtru low-pass împreună cu capacitatea de intrare a pinului de feedback (Figura 10).
Figura 10: Dacă R4 este aproape de pinul de ieșire, linia lungă către pinul de feedback (FB/VO) acționează ca o antenă. Maxim integrat
Un proiectant cu puțină experiență în aspect ar putea, după ce a analizat schema circuitului, să poziționeze rezistorul R4 lângă pinul de ieșire, așa cum se arată în Figura 10. Cu toate acestea, întrucât inductanța este concepută ca un fir neprotejat care se înfășoară în jurul unui miez de ferită, intensifică câmpurile electromagnetice intercalate în știftul de feedback (cerc punctat în portocaliu). La rândul său, acest lucru duce la instabilități, deoarece linia dintre pinul de feedback și R4 acționează ca o antenă și primește marginile de comutare. În Figura 11, linia A este o sursă de nivel înalt, în timp ce linia B este un receptor cu impedanță ridicată. Diafragma poate fi redusă prin plasarea liniei B la o distanță mai mare sau prin reducerea impedanței acesteia.
Figura 11: Crosstalk poate fi redus la minimum prin așezarea corectă a pistelor conductoare. Combinația dintre R4 și „C interne” funcționează ca o trecere joasă și amortizează diafragma. Maxim integrat
Verificați armonicele
Chiar dacă frecvența reală de comutare este doar în intervalul de kilohertz de două cifre, armonicile marginilor de comutare sunt cele care conduc la diafragme și interferențe radiate. Frecvențele acestor armonici pot fi de până la multe sute de megahertz și trebuie controlate. Soluția prezentată în Figura 12 face deci mai ușoară conectarea pinului de ieșire și a pinului de feedback unul la altul. Traseul conductorului este ținut departe de bucla de curent mare (Fig. 9), iar inductanța L1 și R4 amortizează orice interferență (marcată de cercurile portocalii). Plasarea lui R4 lângă pinul de feedback al lui MAX17501 îmbunătățește efectul trece-jos al combinației dintre R4 și capacitate internă.
Figura 12: Efectele diafragmei dintre linii pot fi capacitive, magnetice sau electrostatice (sau o combinație a acestora). Maxim integrat
Pentru a clarifica principiile de bază, a fost descrisă aici cea mai simplă structură posibilă a unei componente cu tranzistoare de comutare interne. Componentele cu tranzistoare externe sunt acoperite în alte tutoriale și note de aplicație de la Maxim Integrated (vezi versiunea online).