Рецепти за оптимално разпределение на захранването в режим на превключване All-Electronics
Ключови данни
Времето, инвестирано в внимателно изграждане на верига за захранване, се отплаща по много начини, което води до ефективно захранване с ниско ниво на шум. Тогава захранването се превръща в стабилна основа за останалите вериги, като осигурява чисти захранващи и заземяващи потенциали, необходими за всяка верига, което също прави отстраняването на неизправности на останалите вериги относително лесно. Обикалянето на спорадични или периодични повреди може да се превърне в истински кошмар, ако захранващото напрежение и земята са засегнати от смущения. Квалифицираните инженери никога не правят грешката да подценяват важността на оформлението на захранването, като му обръщат минимално внимание.
По същия начин, привидно незначителен проблем в оформлението на захранването може да има последици за цялата система и да разруши цялата верига. Ако нямате практически опит в проектирането на аналогови схеми, може да искате да прехвърлите това на най-неопитния дизайнер в екипа, като аргументирате, че става въпрос „само“ за захранването. Но това не е без риск. В края на краищата, дори опитен архитект няма да спести, що се отнася до безупречната статика на сградата - особено що се отнася до основата. По същия начин, опитен аналогов дизайнер няма да подцени значението на стабилното захранване и земя, които в крайна сметка формират основата на стабилно функционираща схема.
Изображение 1: Изглед към президентския дворец на Хаити, който беше разрушен при земетресение. Максим Интегриран
С оглед на решаващата роля, която играе добрата основа, тази статия предоставя полезна информация относно захранването и заземяването, както и схемата на платката и системата. Разглеждат се неща като самото захранване, централните заземителни точки и отделянето на захранването за няколко честоти. Освен това е показано как разположението на компонентите може да бъде насочено така, че контурите, в които текат високи превключващи токове, да затварят възможно най-малката площ.
Изображение 2: Най-малките пукнатини в основата като предвестник на катастрофални ефекти. Максим Интегриран
Общи грешки в оформлението на печатни платки
а) Филтрирайте шума
Идеалният захранващ блок преобразува променливия ток, който достига до частни домакинства и търговски сгради и по този начин безброй електронни устройства чрез обществената мрежа, в постоянен ток, необходим за електронните вериги. В идеалния случай постоянният ток няма шум и е без пулсации или хармоници от мрежата с променлив ток. Тогава земята, която служи като референтен потенциал за захранване с постоянен ток, е абсолютно чиста и без смущения. Толкова за идеалната ситуация. Като инженер обаче бързо научавате, че реалният свят е всичко друго, но не и идеален и че трябва да въведете всичките си знания и умения в игра, за да постигнете желаните резултати въпреки неидеалните условия.
Фигура 3: Компенсиран по ток дросел като линеен филтър. Максим Интегриран
На първо място, важно е да се разбере операционната среда и да се знае фактът, че често присъстват високочестотни смущения от външни предаватели. Това може да включва цифрови схеми, които са на една и съща платка. Когато се свързвате към мрежата с променлив ток, често е желателен филтър, както е показано на фигура 3. Този филтър предпазва устройството от двете страни. Трябва да се провери дали устройството излъчва смущения и, обратно, дали е чувствително към смущения отвън. От една страна, филтърът предотвратява проникването на променливи на смущения от захранването в устройството и, от друга страна, гарантира, че самото устройство не излъчва никакви променливи на смущения в мрежата.
б) Централните наземни точки намаляват шума
Като цяло многослойните платки с голямо захранване и земни площи осигуряват най-добрата цялост на сигнала.
Фигура 4: Грешка при отскок на земята в системата. Обратните токове не се насочват поотделно от всяка част на веригата към централната точка на земята. Максим Интегриран
Фигура 5: Правилно свързване към централното захранване и заземяващите точки (за които тук се приема, че са безшумни). Максим Интегриран
в) Отделяне на шума от захранването
Предположението на фигура 5, че централните захранващи и земни точки са без шум, означава, че захранването и земята са еднородни в тези точки и че няма диференциален шум между двете. В идеалния случай изходът на захранващия блок има импеданс почти нула или е оборудван с разединителни кондензатори, които имат ниско ефективно серийно съпротивление (ESR) при съответните честоти. Линиите, чрез които отделните части на веригата са свързани към централното захранване и заземителните точки, имат определено серийно съпротивление и определена индуктивност. Това серийно съпротивление и индуктивност се използват за изолиране на шумните вериги от чистите вериги. Заедно с разделителните кондензатори на изхода на всяка верига, серийното съпротивление и индуктивност образуват тук нискочестотен филтър. Ако обаче линиите към определени части на веригата са относително къси, може да се наложи да се добавят дискретни резистори и индуктори.
Фигура 6: Тази еквивалентна схема на реален кондензатор показва паразитните компоненти. Максим интегриран
Развързването е трудно, тъй като кондензаторите имат индуктивност на изтичане. Истинският кондензатор е като последователна верига, съставена от резистор, индуктор и кондензатор (Фигура 6). При ниски честоти доминира капацитетът. Над естествената честота (саморезонансна честота - SRF) обаче прорезите в кривите на фигура 7 показват точката, от която кондензаторът действа като индуктивност. За целите на отделянето кондензатор може да се използва само в честотен диапазон, който е близо до или под естествената му честота, тъй като тук кондензаторът има нисък импеданс при съответната честота.
Фиг. 7: Характеристиките на шест кондензатора с различен капацитет показват съответната естествена честота. Максим Интегриран
На фигура 7 естествените честоти на кондензатори с различен капацитет могат да се видят ясно от прорезите в характерните криви. Ясно може да се види, че кондензаторите с по-високи стойности на капацитета имат по-добър разединителен ефект (т.е. по-нисък импеданс) от кондензаторите с по-нисък капацитет при ниски честоти. Предлаганите безплатно програми за подправки са подходящи за показване на естествената честота на кондензаторите.
Грешки в оформлението, свързани с превключващите интегрални схеми на захранването
Фигура 8: Опростена електрическа схема с MAX17501 от семейството на захранващите устройства в Хималаите. Максим Интегриран
На фигура 8 се открояват двата различни символа за маса (триъгълници). Те маркират точки със стръмни, високи импулси на превключващ ток. Важно е да се изолират тези точки от заземяващите връзки на аналоговите вериги с малък сигнал или от еталонната земя.
Както можете да видите, керамичен кондензатор на входящ филтър (C1) е поставен близо до VIN връзката на устройството на фигура 8. Кондензаторът действа като енергиен резервоар за изглаждане на импулси по захранващата линия, който би се върнал към постояннотоковото захранване без този кондензатор. В зависимост от стръмността на превключващите импулси, този кондензатор на входния филтър може да бъде съставен от няколко отделни кондензатора с различни размери, за да покрие голям честотен диапазон. Байпасният кондензатор за VCC връзка също трябва да бъде поставен възможно най-близо до тази връзка. Този кондензатор също може да се състои от няколко отделни кондензатора. В интерес на възможно най-ефективното разсейване на топлината под откритата подложка на компонента трябва да се подредят няколко топлинни отвора (покрити отвори).
Фигура 9: Изолация между масите и централната точка на масата и контура с висок ток (пунктирана червена линия). Максим Интегриран
От решаващо значение за стабилната работа
Токовият контур, показан на фигура 9, е най-важната част от захранването с превключен режим. От решаващо значение за стабилната работа е да се изолират двете маси една от друга, тъй като дори малки колебания в този момент могат да имат катастрофални ефекти върху ефективността, шума и електромагнитните и високочестотни смущения (EMI и RFI). Тъй като в този контур протичат импулсни токове, проводниците трябва да бъдат възможно най-къси и възможно най-широки в интерес на ниската индуктивност на изтичане. Простите модификации на този текущ цикъл могат да означават разликата между доброто и лошото оформление. В преследването на възможно най-малкия цикъл, лошото оформление може да бъде подобрено с 20%. Обръщането на индуктивността с 90 ° носи подобрение. За да се намали серийната индуктивност на виа, две, четири или дори повече виа могат да бъдат свързани паралелно, както се изисква.
На фигура 9 можете да видите, че кръговият символ Via съдържа още един малък кръг. Това са земните връзки (триъгълните символи в схемата), които са свързани към земната равнина от долната страна на платката и към централната точка на земята. Проходните кръгове с X в тях символизират основата за референтната стойност и стабилността на сигнала. Те са свързани към отделна зона от долната страна на дъската и са свързани с основната земна площ в централната точка на земята. Заземяването на аналоговите вериги с малък сигнал и еталонът трябва да се държат отделно от земята за превключващите токове. И двете трябва да бъдат свързани помежду си в точката, в която превключващите дейности са минимални (т.е. в централната точка на земята). Обикновено връзката се извършва към земната връзка на байпасния кондензатор за VCC.
Символът за кръг със знак плюс символизира връзката между изходното напрежение и щифта за обратна връзка. Това трябва да бъде отклонено възможно най-бързо от индуктивността и контура с висок ток. Последователният резистор R4 трябва да бъде поставен възможно най-близо до щифта за обратна връзка, тъй като той образува нискочестотен филтър заедно с входния капацитет на щифта за обратна връзка (Фигура 10).
Фигура 10: Ако R4 е близо до изходния щифт, дългата линия към щифта за обратна връзка (FB/VO) действа като антена. Максим Интегриран
Дизайнер с малко опит в оформлението би могъл, след като разгледа електрическата схема, да позиционира резистор R4 близо до изходния щифт, както е показано на фигура 10. Тъй като индуктивността обаче е проектирана като неекранирана жица, навиваща се около феритно ядро, тя усилва електромагнитните полета, разпръснати в щифта за обратна връзка (пунктиран кръг в оранжево). Това от своя страна води до нестабилност, тъй като линията между щифта за обратна връзка и R4 действа като антена и приема превключващите ръбове. На фигура 11 линия A е източник на високо ниво, докато линия B е приемник с висок импеданс. Напрежението може да бъде намалено чрез поставяне на линия В на по-голямо разстояние или намаляване на нейния импеданс.
Фигура 11: Напрежението може да бъде сведено до минимум чрез правилно полагане на проводниковите релси. Комбинацията от R4 и "C вътрешен" функционира като нискочестотен и намалява кръстосаните препратки. Максим Интегриран
Проверете хармониците
Дори ако действителната честота на превключване е само в двуцифрения диапазон от килогерца, това са хармониците на превключващите ръбове, които водят до кръстосани препратки и излъчени смущения. Честотите на тези хармоници могат да бъдат до много стотици мегагерци и трябва да се контролират. Поради това решението, показано на фигура 12, улеснява свързването на изходния щифт и щифта за обратна връзка един към друг. Диригентската пътека се държи далеч от силовия контур (Фигура 9) и индуктивността L1 и R4 намалява всякакви смущения (маркирани с оранжевите кръгове). Поставянето на R4 близо до щифта за обратна връзка на MAX17501 подобрява нискочестотния ефект на комбинацията от R4 и вътрешен капацитет.
Фигура 12: Ефектите на кръстосани препратки между линиите могат да имат капацитивен, магнитен или електростатичен характер (или комбинация от тях). Максим Интегриран
За да се изяснят основните принципи, тук е описано възможно най-простото оформление на компонент с вътрешни превключващи транзистори. Компонентите с външни транзистори са разгледани в други уроци и бележки за приложенията от Maxim Integrated (вижте онлайн версията).