Receptek az optimális kapcsolóüzemű tápegység elrendezéséhez All-Electronics
Kulcsadatok
Az áramellátási áramkör körültekintő lefektetésére fordított idő sok szempontból megtérül, ami hatékony, alacsony zajszintű áramellátást eredményez. Az áramellátás ezután szilárd alapgá válik a többi áramkör számára azáltal, hogy biztosítja az egyes áramkörökhöz szükséges tiszta táp- és földpotenciálokat, ami a többi áramkör hibaelhárítását is viszonylag egyszerűvé teszi. A szórványos vagy időszakos hibák körözése igazi rémálommá válhat, ha a tápfeszültséget és a földet zavarják. A képzett mérnökök soha nem követik el azt a hibát, hogy alábecsülik az áramellátás elrendezésének fontosságát azzal, hogy minimális figyelmet fordítanak rá.
Hasonlóképpen, a tápegység elrendezésében látszólag jelentéktelennek tűnő probléma visszahat az egész rendszerre, és tönkreteheti az egész áramkört. Ha nincs gyakorlati tapasztalata az analóg áramkörök tervezésében, érdemes ezt átadnia a csapat legtapasztatlanabb tervezőjének, azzal érvelve, hogy „csak” az áramellátásról van szó. De ez nem veszélytelen. Végül is egy tapasztalt építész nem fog spórolni, ha egy épület hibátlan statikájáról van szó - különösen, ha az alapozásról van szó. Hasonlóképpen, egy hozzáértő analóg tervező nem fogja lebecsülni a stabil áramellátás és a föld fontosságát, amelyek végül egy szilárdan működő áramkör alapját képezik.
1. kép: Haiti elnöki palotájának megtekintése, amelyet földrengés pusztított el. Maxim Integrated
Tekintettel a jó alapok döntő szerepére, ez a cikk hasznos információkat nyújt az áramellátás és a földelés, valamint az áramköri lapok és a rendszer elrendezésének témáiról. Olyan dolgokkal foglalkozunk, mint maga az áramellátás, a központi földpontok és a tápegység leválasztása több frekvenciához. Ezenkívül bemutatják, hogyan lehet az alkatrészek elhelyezését úgy irányítani, hogy a hurkok, amelyekben nagy kapcsolási áramok folynak, befogják a lehető legkisebb területet.
2. kép: A legkisebb repedések az alapzatban, mint a katasztrófahatások előhírnöke. Maxim Integrated
Általános hibák a NYÁK elrendezésében
a) Szűrje ki a zajt
Az ideális tápegység átalakítja a magánháztartásokba és a kereskedelmi épületekbe érkező váltakozó áramot, így a nyilvános hálózaton keresztül számtalan elektronikus eszközt az elektronikus áramkörök által megkövetelt egyenárammá. Ideális esetben az egyenáramnak nincs zaja, és mentes a váltakozó áramú hálózat hullámaitól vagy harmonikusaitól. A föld, amely referenciapotenciálként szolgál az egyenáram-ellátáshoz, ekkor teljesen tiszta és interferencia-mentes. Ennyit az ideális helyzetről. Mérnökként azonban gyorsan megtanulja, hogy a való világ minden más, csak ideális, és minden tudását és készségét játékba kell hoznia a kívánt eredmények elérése érdekében a nem ideális körülmények ellenére.
3. ábra: Áramkompenzált fojtószalag mint vonalszűrő. Maxim Integrated
Először is fontos megérteni a működési környezetet és tisztában kell lenni azzal a ténnyel, hogy a külső adókból származó magas frekvenciájú interferencia gyakran jelen van. Ez magában foglalhatja a digitális áramköröket, amelyek ugyanazon az áramköri lapon vannak. A váltakozó áramú hálózathoz való csatlakozáskor gyakran kívánatos a 3. ábrán látható szűrő. Ez a szűrő mindkét oldalról védi a készüléket. Ellenőrizni kell, hogy az eszköz kibocsát-e interferenciát, és fordítva, érzékeny-e a kívülről érkező interferenciára. Egyrészt a szűrő megakadályozza, hogy a tápegység zavaró változói bekerüljenek az eszközbe, másrészt biztosítja, hogy maga az eszköz ne bocsásson ki zavarváltozókat a hálózatba.
b) A középső földelési pontok csökkentik a zajt
Általában a nagy tápellátású és földelt többrétegű áramköri kártyák biztosítják a legjobb jelintegritást.
4. ábra: Földi visszafordulási hiba egy rendszerben. A visszatérő áramokat nem vezetik külön-külön az egyes áramköri részekről a központi földelési pontra. Maxim Integrated
5. ábra: Helyes csatlakozás a központi tápegységhez és a földelési pontokhoz (amelyek itt feltételezhetően zajmentesek). Maxim Integrated
c) Az áramellátás zajának leválasztása
Az 5. ábrán szereplő feltételezés, miszerint a központi áramellátás és a földelési pontok zajmentesek, azt jelenti, hogy az áramellátás és a föld homogén ezeken a pontokon, és a kettő között nincs különbség. Ideális esetben a tápegység kimenetének impedanciája majdnem nulla, vagy szétkapcsoló kondenzátorokkal van felszerelve, amelyek alacsony effektív soros ellenállással (ESR) rendelkeznek a megfelelő frekvenciákon. Azok a vonalak, amelyeken keresztül az egyes áramköri részek csatlakoznak a központi áramellátáshoz és a földelési pontokhoz, bizonyos soros ellenállással és bizonyos induktivitással rendelkeznek. Ezt a soros ellenállást és induktivitást használják a zajos áramkörök elkülönítésére a tiszta áramköröktől. Az egyes áramkörök kimenetén leválasztó kondenzátorokkal együtt a soros ellenállás és induktivitás itt aluláteresztő szűrőt képez. Ha azonban az áramkör bizonyos részeihez vezetõ vonalak viszonylag rövidek, akkor különálló ellenállásokat és induktivitásokat kell hozzáadni.
6. ábra: A valódi kondenzátor ekvivalens áramköre a parazita komponenseket mutatja. Maxim Integrated
A leválasztás nehéz, mert a kondenzátorok szivárgásinduktivitással rendelkeznek. A valódi kondenzátor úgy néz ki, mint egy soros áramkör, amely egy ellenállásból, egy induktivitásból és egy kondenzátorból áll (6. ábra). Alacsony frekvenciákon a kapacitás dominál. A természetes frekvencia felett (Self-Resonant Frequency - SRF) azonban a 7. ábra görbéiben lévő bevágások jelzik azt a pontot, ahonnan a kondenzátor induktivitásként hat. Leválasztás céljából egy kondenzátort csak olyan frekvenciatartományban lehet használni, amely a természetes frekvenciájához közel vagy annak közelében van, mert itt a kondenzátor alacsony impedanciával rendelkezik a megfelelő frekvencián.
7. ábra: Hat különböző kapacitású kondenzátor jellemzői mutatják az adott természetes frekvenciát. Maxim Integrated
A 7. ábrán jól látható a különböző kapacitású kondenzátorok természetes frekvenciája a jellegzetes görbék hornyaiból. Jól látható, hogy a nagyobb kapacitású értékekkel rendelkező kondenzátorok jobb leválasztó (azaz alacsonyabb impedanciájú) hatással bírnak, mint az alacsony frekvenciájú alacsonyabb kapacitású kondenzátorok. Az ingyenesen kínált fűszerprogramok alkalmasak a kondenzátorok természetes frekvenciájának megjelenítésére.
A kapcsoló tápegység IC-kkel kapcsolatos elrendezési hibák
8. ábra: Egyszerűsített kapcsolási rajz a MAX17501 készülékkel a Himalaya kapcsolt üzemmódú tápegységcsaládból. Maxim Integrated
A 8. ábrán kiemelkedik a két különböző tömegszimbólum (háromszög). Ezek a jelek meredek, nagy kapcsolási áramimpulzusokkal jelennek meg. Fontos, hogy ezeket a pontokat elkülönítsük a kis jelű analóg áramkörök földelő csatlakozásaitól vagy a referencia földtől.
Mint látható, a 8. ábrán egy kerámia bemeneti szűrő kondenzátort (C1) helyeztek el a készülék VIN csatlakozója közelében. A kondenzátor energiatartályként működik az impulzusok simításához a tápvezetéken, amelyek e kondenzátor nélkül visszatérnének az egyenáramú tápegységbe. A kapcsolási impulzusok meredekségétől függően ez a bemeneti szűrő kondenzátor több, különböző méretű, különféle kondenzátorból állhat annak érdekében, hogy lefedje a nagy frekvenciatartományt. A VCC csatlakozás bypass kondenzátorát szintén a lehető legközelebb kell elhelyezni ehhez a csatlakozáshoz. Ennek a kondenzátornak is több egyedi kondenzátorból kell állnia. A lehető leghatékonyabb hőelvezetés érdekében az alkatrész szabadon elhelyezett párnája alatt néhány hőcserélőt (bevont furat) kell elrendezni.
9. ábra: A tömegek és a központi tömegpont, valamint a nagyáramú hurok közötti elválasztás (szaggatott piros vonal). Maxim Integrated
A stabil működéshez elengedhetetlen
A kapcsolóüzemű tápegység legfontosabb része a 9. ábrán látható áramkör. A stabil működéshez elengedhetetlen a két tömeg elkülönítése egymástól, mert ezen a ponton még a kis ingadozások is katasztrofális hatást gyakorolhatnak a hatékonyságra, a zajra, valamint az elektromágneses és nagyfrekvenciás interferencia-kibocsátásra (EMI és RFI). Mivel ebben a körben impulzusos áramok folynak, a vezetőpályáknak a lehető legkisebbnek és a lehető legszélesebbnek kell lenniük az alacsony szivárgásinduktivitás érdekében. Ennek az aktuális ciklusnak az egyszerű módosítása jelentheti a különbséget a jó és a rossz elrendezés között. A lehető legkisebb hurok elérése érdekében a rossz elrendezés 20% -kal javítható. Az induktivitás 90 ° -os elfordítása javulást eredményez. A vias sorozatinduktivitásának csökkentése érdekében szükség szerint párhuzamosan két, négy vagy akár több via is csatlakoztatható.
A 9. ábrán látható, hogy a kör alakú Via szimbólum egy másik kis kört tartalmaz. Ezek azok a testcsatlakozások (a kapcsolási rajz háromszög alakú szimbólumai), amelyek az áramköri kártya alsó oldalán található alapsíkhoz és a központi földelési ponthoz vannak csatlakoztatva. Az áthaladó körök, amelyekben X látható, a referencia talaját és a jel stabilitását szimbolizálják. Ezek a tábla alsó részén egy külön területhez vannak csatlakoztatva, és a központi földponton a fő földterülettel vannak összekötve. Az analóg kis jelű áramkörök földjét és a referenciát el kell különíteni a kapcsolási áramok földjétől. Mindkettőt össze kell kötni egymással abban a pontban, ahol a kapcsolási tevékenység minimális (vagyis a központi földponton). Általában a VCC bypass kondenzátor földkapcsolatához kell csatlakoztatni.
A plusz előjelű körkörös szimbólum a kimeneti feszültség és a visszacsatoló tű közötti kapcsolatot szimbolizálja. Ezt a lehető leggyorsabban el kell vezetni az induktivitástól és a nagyáramú huroktól. Az R4 soros ellenállást a lehető legközelebb kell elhelyezni a visszacsatoló csaphoz, mivel ez egy aluláteresztő szűrőt alkot a visszacsatoló csap bemeneti kapacitásával együtt (10. ábra).
10. ábra: Ha R4 közel van a kimeneti csaphoz, akkor a visszacsatoló csaphoz (FB/VO) vezető hosszú vonal antennaként működik. Maxim Integrated
Kevés elrendezési tapasztalattal rendelkező tervező, miután megnézte a kapcsolási rajzot, elhelyezheti az R4 ellenállást a kimeneti csap közelében, a 10. ábra szerint. Mivel azonban az induktivitás árnyékolatlan vezetékként van kialakítva, amely a ferritmag körül kanyarodik, fokozza a visszacsatoló csapba tarkított elektromágneses mezőket (narancssárga szaggatott kör). Ez viszont instabilitást eredményez, mivel a visszacsatoló csap és az R4 közötti vonal antennaként működik és fogadja a kapcsolóéleket. A 11. ábrán az A vonal magas szintű forrás, míg a B vonal nagy impedanciájú vevő. Az áthallás csökkenthető a B vonal nagyobb távolságra helyezésével vagy impedanciájának csökkentésével.
11. ábra: Az áthallás minimalizálható a vezetőpályák helyes lefektetésével. Az R4 és a "C belső" kombinációja aluláteresztő funkcióként működik, és csillapítja az áthallást. Maxim Integrated
Ellenőrizze a harmonikusokat
Még ha a tényleges kapcsolási frekvencia is csak a kétjegyű kilohertz tartományban van, a kapcsolóélek harmonikusai vezetnek áthalláshoz és sugárzott interferenciához. Ezeknek a harmonikusoknak a frekvenciája akár több száz megahertz is lehet, és ezeket szabályozni kell. A 12. ábrán bemutatott megoldás tehát megkönnyíti a kimeneti és a visszacsatoló tű egymáshoz való csatlakoztatását. A vezetősávot távol tartják a nagyáramú huroktól (9. ábra) és az L1 induktivitástól, és az R4 csillapítja az interferenciát (narancssárga körökkel jelölve). Az R4 elhelyezése a MAX17501 visszacsatoló tűje közelében javítja az R4 és a belső kapacitás kombinációjának aluláteresztő hatását.
12. ábra: A vonalak közötti áthallási hatások lehetnek kapacitív, mágneses vagy elektrosztatikus természetűek (vagy ezek kombinációi). Maxim Integrated
Az alapelvek tisztázása érdekében a belső kapcsoló tranzisztorral rendelkező alkatrészek lehető legegyszerűbb elrendezését ismertettük itt. A külső tranzisztorral rendelkező alkatrészeket a Maxim Integrated más oktatóanyagai és alkalmazási megjegyzései tartalmazzák (lásd az online verziót).