PCB-ontwerpspecificaties voor schakelvoedingen

Het ontwerpen van een PCB voor een schakelende voeding (SPS) vereist nauwgezette aandacht voor detail om een ​​stabiele werking te garanderen en elektromagnetische interferentie (EMI) te minimaliseren. Van schema tot lay-out, elke stap is van cruciaal belang. Deze uitgebreide gids onderzoekt de belangrijkste overwegingen en best practices voor het ontwerpen van een efficiënte en betrouwbare SPS-PCB.

Schematische weergave van PCB-ontwerpstroom

De overgang van schematisch ontwerp naar printplaatontwerp omvat verschillende cruciale stappen:

1. Componentparameters vaststellen: Definieer de specificaties voor elk onderdeel, rekening houdend met de spannings-, stroom- en frequentievereisten.
2. Invoerschema Netlijst: Breng het schema over naar een netlijstformaat dat kan worden gebruikt voor de PCB-lay-out.
3. Ontwerpparameterinstellingen: Configureer de PCB-ontwerpsoftware met de nodige parameters, inclusief spoorbreedtes, spelingen en lagen.
4. Handmatige lay-out: Rangschik de componenten op de printplaat volgens het schema en de ontwerpvereisten.
5. Handmatige routering: Leid de sporen tussen componenten, zorg voor de juiste afstand en vermijd interferentie.
6. Ontwerpvalidatie: Controleer het ontwerp op elektrische en mechanische integriteit, inclusief signaalintegriteit en thermische overwegingen.
7. Beoordeling: Voer een grondige beoordeling van het ontwerp uit om er zeker van te zijn dat het aan alle vereisten voldoet.
8. CAM-uitvoer: Genereer de definitieve uitvoerbestanden voor productie.

Lay-outparameters van printplaten voor schakelende voedingen

Om een ​​optimale stroomintegriteit te garanderen bij ontwerpen van schakelende voedingen (SPS), moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de lay-out van de printplaat. De volgende parameters zijn cruciaal voor het ontwerpen van een robuust stroomleveringsnetwerk (PDN) dat schone en ononderbroken stroom aan alle componenten kan leveren en tegelijkertijd interferentie tot een minimum beperkt:

1. Configuratie en stapeling van bordlagen: Begin met een schema dat alle voedingen op het bord identificeert. Configureer de laagstapeling om de signaal- en stroomintegriteit te optimaliseren. Positioneer stroom- en aardvlakken voor optimale signaalretourpaden, gecontroleerde impedantieroutering en isolatie van de voeding.
2. Ontwerpregels en beperkingen: Stel regels op voor spoorbreedte, afstand en koperstortkenmerken. Overweeg het gebruik van netklassen om deze regels efficiënt te beheren. Geavanceerde PCB-ontwerptools, zoals de PCB Editor van Cadence Allegro, bieden mogelijkheden om de routeringsvereisten van de PDN te ondersteunen.
3. Richtlijnen voor plaatsing en routering: Volg deze richtlijnen voor schakelende voedingen:
   • Componentplaatsing: Plaats componenten om de tracelengte te minimaliseren en signaalpaden te optimaliseren. Houd componenten met een hoge stroomsterkte dicht bij hun respectievelijke ontkoppelcondensatoren om de inductie te minimaliseren.
   • Routing: Leid stroomlijnen zo breed mogelijk om de weerstand en spanningsval te verminderen. Gebruik meerdere via's voor paden met hoge stroomsterkte om de weerstand te verminderen en de thermische prestaties te verbeteren. Houd hogestroomlussen kort en compact om EMI te minimaliseren.
   • Ontkoppelcondensatoren: Plaats ontkoppelcondensatoren zo dicht mogelijk bij de voedingspinnen van de componenten die ze ontkoppelen om een ​​pad met lage impedantie te bieden voor hoogfrequente ruis.
   • Aarding: Implementeer een solide aardvlak om een ​​retourpad met lage impedantie voor stromen te bieden. Gebruik stikvia's om verschillende grondlagen met elkaar te verbinden en aardlussen te minimaliseren.
   • Signaalintegriteit: Gebruik gecontroleerde impedantieroutering voor hogesnelheidssignalen om signaalreflecties te minimaliseren en de signaalintegriteit te garanderen.

Door deze parameters en richtlijnen zorgvuldig te overwegen, kunt u een printplaatlay-out ontwerpen die de stroomintegriteit maximaliseert en interferentie minimaliseert in toepassingen met schakelende voedingen.

Componentindeling van schakelvoedingen

Houd bij het leggen van componenten rekening met de printplaatgrootte als prioriteit. Een te grote PCB kan leiden tot langere spoorlengtes, verhoogde impedantie, verminderd anti-ruisvermogen en hogere kosten. Omgekeerd kan een te kleine PCB last hebben van een slechte warmteafvoer en verhoogde interferentie. De optimale vorm voor een printplaat is rechthoekig, met een lengte-breedteverhouding van 3:2 of 4:3. Componenten die dichtbij de rand van het bord worden geplaatst, moeten een afstand van minimaal 2 mm hebben om mogelijke problemen te voorkomen.

Geef bij het plaatsen van componenten prioriteit aan toekomstige soldeeroverwegingen en vermijd te dichte opstellingen die soldeerprocessen zouden kunnen belemmeren. Rangschik de componenten uniform, netjes en compact rond de kerncomponenten van elk functioneel circuit. Minimaliseer en verkort de voedingsdraden en verbindingen tussen componenten, en plaats ontkoppelcondensatoren zo dicht mogelijk bij de VCC van het component.

Houd rekening met de distributieparameters tussen componenten, vooral voor circuits die op hoge frequenties werken. Componenten moeten zo parallel mogelijk worden gerangschikt om solderen en massaproductie te vergemakkelijken. Rangschik de posities van elke functionele circuiteenheid volgens de circuitstroom om ervoor te zorgen dat de lay-out bevorderlijk is voor de signaalcirculatie en de signaalconsistentie handhaaft. Zorg er ten slotte voor dat de routering vloeiend is als het primaire lay-outprincipe, waarbij u aandacht besteedt aan losse draadverbindingen en componenten met onderlinge verbindingen bij elkaar plaatst om de signaalpadlengte te minimaliseren.

Optimalisatie van de aarding voor een stabiele werking van de schakelende voeding

Schakelvoedingen bevatten hoogfrequente signalen en elke gedrukte lijn op de printplaat kan als antenne fungeren. De lengte en breedte van de gedrukte lijn beïnvloeden de impedantie en reactantie ervan, waardoor de frequentierespons wordt beïnvloed. Zelfs gedrukte lijnen die DC-signalen transporteren, kunnen worden gekoppeld aan RF-signalen van nabijgelegen gedrukte lijnen en circuitproblemen veroorzaken (of zelfs interferentiesignalen opnieuw uitstralen).

Om dit te beperken moeten alle AC-dragende gedrukte lijnen zo kort en breed mogelijk worden ontworpen. Dit houdt in dat alle componenten die zijn aangesloten op gedrukte leidingen en andere stroomleidingen zo dicht mogelijk bij elkaar moeten worden geplaatst. De lengte van de afgedrukte lijn is evenredig met de inductantie en impedantie, terwijl de breedte omgekeerd evenredig is met de inductantie en impedantie. Hoe langer de lengte, hoe lager de frequentie waarmee de gedrukte lijn elektromagnetische golven kan verzenden en ontvangen, en hoe meer RF-energie deze kan uitstralen.

Daarom is het van cruciaal belang om zorgvuldig na te denken over de plaatsing van de aardedraad in de lay-out om vermenging van verschillende aardingen te voorkomen, wat kan leiden tot een onstabiele werking van de stroomvoorziening. Aarding speelt een cruciale rol als gemeenschappelijk referentiepunt voor de vier stroomlussen van de schakelende voeding en is een belangrijke methode voor het beheersen van interferentie. Hier zijn enkele belangrijke punten waarmee u rekening moet houden bij het grondontwerp:

1. Selecteer eenpuntsaarding: De gemeenschappelijke aansluiting van de filtercondensator moet de enige verbinding zijn met de gemeenschappelijke aarde die is gekoppeld aan de AC-aarde met hoge stroomsterkte. De aardingspunten van hetzelfde niveaucircuit moeten zo dicht mogelijk bij elkaar liggen en de filtercondensator van het hoofdcircuit moet ook worden aangesloten op het aardingspunt van het niveau.
2. Maak de aardedraad dikker: Zorg ervoor dat elke aansluiting van een grote stroom een ​​gedrukte draad gebruikt die zo kort en breed mogelijk is. De breedte van de stroom- en grondlijnen moet zoveel mogelijk worden vergroot, waarbij de grondlijn bij voorkeur breder is dan de stroomlijn. De relatie tussen hun breedtes moet zijn: aardelijn > stroomlijn > signaallijn. Indien mogelijk moet de breedte van de aarddraad groter zijn dan 3 mm.
3. Globale routeringsprincipes: Volg deze principes bij het uitvoeren van globale routering:
   • Routeringsrichting: Houd de oriëntatie van componenten consistent met het schema en de routeringsrichting moet consistent zijn met het schakelschema.
   • Minimaliseer het aantal bochten in de routering, vermijd plotselinge veranderingen in de lijnbreedte en zorg ervoor dat de draadhoeken ≥90 graden zijn.
   • Vermijd kruisende circuits in de printplaat. Gebruik methoden als ‘drill’ of ‘loop’ om mogelijke kruisingsproblemen op te lossen.
4. Ingangs- en uitgangsaarde: Voor een laagspannings-DC-DC-schakelende voeding moeten beide zijden van het circuit een gemeenschappelijke referentieaarde hebben. Nadat beide zijden van de aardedraad met koper zijn bedekt, moeten ze met elkaar worden verbonden om een ​​gemeenschappelijke aarde te vormen.

Essentiële controles voor bedrading en aarding bij PCB-ontwerp

Nadat het bedradingsontwerp is voltooid, is het noodzakelijk om zorgvuldig te controleren of het bedradingsontwerp voldoet aan de door de ontwerper vastgestelde regels, en ook om te bevestigen of de vastgestelde regels voldoen aan de eisen van het PCB-productieproces. Controleer in het algemeen of de afstanden tussen lijnen en lijnen, lijnen en componentpads, lijnen en doorgaande gaten, componentpads en doorgaande gaten, en tussen doorgaande gaten redelijk zijn en voldoen aan de productievereisten.

Controleer of de breedte van de stroom- en aardleidingen geschikt is en of er plaatsen op de printplaat zijn waar de aardleidingen breder kunnen worden gemaakt. Opmerking: Sommige fouten kunnen worden genegeerd, zoals een deel van de omtrek van sommige connectoren die buiten het bordframe worden geplaatst, wat fouten kan veroorzaken bij de controle van de afstand; ook moet het koper na elke wijziging aan de bedrading en doorvoergaten opnieuw worden gecoat.

Laatste ontwerpcontroles

Controleer opnieuw met de “PCB-checklist” die ontwerpregels, laagdefinities, spoorbreedtes, afstanden, pads en via-instellingen bevat. Richt u daarnaast op het beoordelen van de rationaliteit van de plaatsing van componenten, de routering van stroom- en grondnetwerken, de routering van hogesnelheidskloknetwerken, afscherming, plaatsing en aansluiting van ontkoppelcondensatoren, enz.
Overwegingen bij het ontwerpen van uitvoer voor de uitvoer van fotomaskerbestanden:

A. De uitvoerlagen omvatten een bedradingslaag (onderste laag), zeefdruklaag (inclusief bovenste laag en onderste laag zeefdruk), soldeermaskerlaag (onderste soldeermaskerlaag), boorlaag (onderste laag) en boorbestanden (nc-boren ) worden ook gegenereerd.

B. Selecteer bij het instellen van het aantal zeefdruklagen niet het onderdeeltype; selecteer de omtrek, tekst en lijnen van de bovenste (onderste) en zeefdruklagen.

C. Selecteer bij het instellen van lagen voor elke laag de bordomtrek; selecteer bij het instellen van het aantal lagen voor de zeefdruklaag niet het onderdeeltype; selecteer de omtrek, tekst en lijnen van de bovenste (onderste) en zeefdruklagen.

D. Gebruik bij het genereren van boorbestanden de standaardinstellingen van PowerPCB zonder wijzigingen aan te brengen.

Gerelateerde berichten:

PCB-voeding: een uitgebreide gids voor het voeden van elektronische apparaten

Hoe ontwerp ik een voedingsprintplaat?

Wat is een voedingsprintplaat?

Hoe u een voedingsprintplaat ontwerpt voor optimale prestaties