1. Типові помилки на рівні плати
2. Імпульсні джерела живлення на ІС: специфічні помилки
3. висновок
4. література

7 жовтня 2015

У статті наводяться поради та рекомендації щодо створення провідного малюнка ланцюгів харчування і заземлення при проектуванні друкованих плат, розглядаються особливості з'єднання «зіркою» для силових ліній живлення і землі, а також многочастотной розв'язки цих ланцюгів. Крім того, в статті демонструється, як, змінюючи розташування компонентів, можна зменшити петлю протікання потужних високочастотних струмів.

Розробка електронних схем подібна будівництва багатоповерхових будівель у сейсмонебезпечних районах. В обох випадках функціональність і довговічність немислимі без хорошого фундаменту.

Ідеальний джерело живлення перетворює надходить в житлові будинки і виробничі цехи змінний струм (AC) в необхідний для роботи електроніки постійний струм (DC). В ідеальному світі в постійному струмі немає ні шумів, ні пульсацій, ні гармонік змінного струму. До того ж, в такому світі земля, що є початком відліку для всієї системи живлення постійного струму, непорочно чиста. Ставши інженерами, ми швидко дізнаємось, що наш світ дуже далекий від досконалості. А це значить, що ми повинні використовувати всі свої знання і вміння, щоб домагатися бажаних результатів, незважаючи на наявні обмеження.

Перш за все, слід розібратися з оточуючими умовами і зрозуміти, що в радіохвиль перешкоди часто створюються зовнішніми передавачами, а також цифровими схемами, які працюють на тій же друкарській платі. Давайте почнемо з розетки зі змінним напругою. У більшості випадків бажано використовувати мережевий фільтр, подібний показаному на малюнку 1.

Рис. 1. Синфазних мережевий фільтр

Основне призначення фільтра - забезпечення симетричною двосторонньої захисту. Він захищає від перешкод, які можуть потрапити в електронний пристрій з мережі змінного струму, і в той же час не дає перешкод, що генеруються самим пристроєм, проникнути в мережу. Необхідно перевіряти як рівень перешкод, випромінюваних пристроєм, так і прийнятність надходять в нього сигналів.

Типові помилки на рівні плати

У загальному випадку, в багатошарових платах суцільні земляні полігони та полігони харчування забезпечують цілісність сигналів в максимальному ступені.

На початковому етапі слід вибрати точки підключення землі на шасі і на всіх друкованих платах. Деякі недосвідчені розробники розглядають землю як якесь магічне місце, в якому зникають всі наведення і нівелюються всі прорахунки. Іноді вони вибирають спочатку точку землі, але не забезпечують роздільних шляхів протікання зворотних струмів до цієї точки від схем різних типів. Подібну помилку ілюструє малюнок 2.

Рис. 2. Помилки, що призводять до зашумленной землі

Почнемо із зазначеною зірочкою точки заземлення на джерелі живлення +5 В. Генеруються цифровими схемами шуми будуть потрапляти як в джерело живлення 5 В, так і на землю. Зрозуміло, що аналогової схемою потрібно «чисте» напруга +3,3 В, але миполенілісь провести окремі доріжки землі і шини +5 В до позначених зірочками точкам на джерелі живлення. Лінійний LDO-стабілізатор необхідний для створення чистих 3,3 В, в усякому разі, нам так здається. Насправді напруга на виході лінійного стабілізатора завжди буде рівно на 3,3 В вище опорного напруги або потенціалу землі. Отже, якщо LDO-стабілізатор виконує свою роботу, а потенціал землі скаче вгору і вниз, немов тремтяча червона стрілка індикатора, то вихідна напруга +3,3 В стане змінюватися услід за потенціалом землі. А тепер поцікавимося, скільки часу знадобиться на пошук причин некоректної роботи модуля, в якому не передбачено роздільне підключення цифрових і аналогових схем до джерела живлення? Кращий спосіб підключення аналогової схеми показаний на малюнку 3.

Рис. 3. Належне підключення до землі і харчуванню. Передбачається, що в точках підключення земля
і харчування чисті

Твердження, що в точках, позначених на малюнку 3 зірочками, земля і харчування чисті, означає, що в цих точках вони однорідні, між землею і харчуванням немає диференціального шуму. В ідеалі вихідний імпеданс джерела живлення повинен бути майже нульовим, або на виході повинні стояти розв'язують конденсатори з низьким еквівалентним послідовним опором в інтересуемом діапазоні частот. У індивідуальних провідників, що включають різні схеми до точок землі і харчування, також є свій опір і індуктивність. Ми розраховуємо на те, що ці опір і індуктивність ізолюють шумливі схеми від чистих схем. Послідовно включені опір і індуктивність, а також розв'язують конденсатори на виходах схемних блоків формують фільтр нижніх частот. Якщо провідник, що йде до схемного блоку, відносно короткий - може знадобитися дискретний резистор або індуктивність.

Рис. 4. Конденсатор з властивими йому паразітни-
ми компонентами

Забезпечити розв'язку не так вже просто, оскільки у конденсаторів є паразитні індуктивності. На практиці конденсатор описують у вигляді послідовної RCL-схеми (рисунок 4). Ємність домінує на низьких частотах, але вище частоти послідовного резонансу (Self-Resonance Frequency (SRF) - власна резонансна частота), показаної для різних номіналів конденсаторів на графіках (рисунок 5), знаходиться область, в якій імпеданс конденсатора носить індуктивний характер. Таким чином, конденсатор корисний для розв'язки тільки в діапазоні частот, що знаходяться поблизу або нижче його SRF, тобто там, де його імпеданс малий.

Рис. 5. Шість конденсаторів різних номіналів і їх власні резонансні частоти

На малюнку 5 показані типові частотні характеристики конденсаторів різних номіналів [1]. На малюнку ясно видно власні резонансні частоти (спади на графіках). Наведені характеристики також показують, що на низьких частотах конденсатори з більш високими значеннями ємностей (володіють більш низьким опором) забезпечують більш якісну розв'язку, ніж конденсатори менших номіналів. Для побудови частотних характеристик конденсаторів можна використовувати безкоштовні SPICE-програми [2 ... 4].

Імпульсні джерела живлення на ІС: специфічні помилки

Зверніть увагу, що на малюнку 6 використовуються два різних символу землі. Символ у вигляді трикутника означає землю, по якій протікає великий імпульсний струм з високою швидкістю наростання. Необхідно ізолювати йдуть з високою частотою сільноточние імпульси від опорної або аналогової землі зі слабкими сигналами.

Рис. 6. Спрощена схема імпульсного джерела живлення на базі MAX17501

На малюнку 6 вхідний фільтруючий керамічний конденсатор (C1) [5] розташований поруч з висновком VIN мікросхеми. Цей конденсатор діє як енергетичний резервуар, згладжуючи потужні імпульси, які в його відсутність поверталися б в джерело живлення постійного струму

Залежно від часу наростання переключающих імпульсів даний конденсатор може бути складений з кількох конденсаторів різних номіналів, щоб охопити більший частотний діапазон. Блокувальний конденсатор, що підключається до висновку VCC, також слід розташовувати максимально наближеним до цього висновку. Можливо, що і цей конденсатор також знадобиться скласти з декількох конденсаторів. Для максимально ефективного відводу тепла під металевою основою мікросхеми (exposed pad) слід передбачити декілька перехідних отворів, що забезпечують теплову зв'язок з земляним полігоном.

Рис. 7. Ізоляція між землями, точка їх з'єднання і контур протікання сильного струму (позначений
червоною штриховий лінією)

Контур протікання струму, показаний на малюнку 7 - найважливіша область в імпульсному джерелі живлення. Ізоляція двох земель критична для стабільної роботи, так як невеликі зміни в даному випадку можуть мати значний вплив на ефективність і гучність джерела живлення, на рівень випромінюваних їм електромагнітних і радіочастотних перешкод. Оскільки з цього контуру протікають імпульсні струми, для зменшення індуктивності розсіювання (паразитної індуктивності) друковані провідники повинні бути дуже короткими і максимально широкими. Контур необхідно робити мінімально можливим: простий поворот дроселя на 90 ° може на 20% поліпшити характеристики плати. Для зниження індуктивності перехідного отвору при необхідності використовують два, чотири або навіть більше число паралельних перехідних отворів.

На малюнку 7 перехідний отвір позначено у вигляді кола з маленьким кружком усередині, що означає підключення до полігону силовий землі (трикутний знак землі на схемі). Ці перехідні отвори служать для підключення до полігону силовий землі (PGND) на нижній стороні плати і для підключення до спільної точки землі, позначеної зірочкою. Гуртки зі знаком X всередині позначають опорну або стабільну сигнальну землю. Вони забезпечують її підключення до окремого земляному полігону на нижньому боці плати і з'єднання з силової землею в позначеної зірочкою спільної точки. Імпульсні струми не повинні впливати на аналогову малосигнальних або опорну землю. З цієї причини її і слід з'єднувати з силової землею в позначеної зірочкою точці, де вплив процесів перемикання мінімально. Як правило - на другому (поворотному) виведення блокувального конденсатора, перший висновок якого підключений до висновку VCC мікросхеми.

Перехідні отвори у вигляді кола зі знаком «+» всередині служать для подачі напруги з виходу джерела на висновок зворотного зв'язку мікросхеми. Друкований провідник необхідно прокласти так, щоб він якомога швидше і далі йшов від дроселя і токового контуру. Послідовно включений резистор (R4) повинен знаходитися максимально близько до висновку зворотного зв'язку, так як він разом з вхідною ємністю на цьому висновку утворює фільтр нижніх частот (рисунок 8).

Рис. 8. Резистор R4 розміщений поблизу виходу джерела живлення, довга друкована доріжка до висновку
зворотного зв'язку (FB / VO) працює як антена

Недосвідчений проектувальник друкованої плати може, подивившись на принципову схему, встановити R4 поблизу силового виходу, як це показано на малюнку 8. Оскільки дросель являє собою неекрановану котушку з намотаного на феритовий сердечник проводу, він генерує інтенсивне електромагнітне поле. Це поле наводить перешкоди (позначені помаранчевими пунктирними гуртками), що потрапляють на висновок зворотного зв'язку, що веде до нестабільної роботи схеми, так як провідник між висновком зворотного зв'язку і резистором R4 перетворюється в антену, ловлячи шуми на фронтах імпульсів струму.

Рис. 9. Перехресні перешкоди між проводами можуть мати емкостную, магнітну, електростатичну
природу або бути їх комбінацією

На малюнку 9 провід A - потужне джерело перешкод, а провід B - приймач з високим опором. Рівень що наводяться перехресних перешкод може бути знижений шляхом збільшення відстані між проводами або зменшення імпедансу дроти B.

Згадаймо, що хоча частота перемикань може бути дорівнює всього кільком десяткам кілогерц, на фронтах переключающих імпульсів виникають ВЧ-коливання, які створюють перехресні перешкоди і генерують шум. Оскільки ВЧ-коливання можуть потрапляти в діапазон частот до багатьох сотень мегагерц, їх необхідно контролювати. Ось чому краще подати сигнал з виходу джерела на висновок зворотного зв'язку, як це показано на малюнку 10. Провідник проходить на віддалі від контуру протікання потужних імпульсів струму (рисунок 7) і дроселя L1. Резистор R4 послаблює будь-які перешкоди, показані помаранчевими кружками. Розміщення R4 поблизу виведення зворотного зв'язку мікросхеми MAX17501 підвищує ефективність фільтра нижніх частот, утвореного R4 і внутрішньою ємністю.

Рис. 10. Належна розводка сигналів мінімізує перехресні перешкоди. Резистор R4 і внутрішня
ємність діють як фільтр нижніх частот, послаблюючи перешкоди

Для пояснення базових концепцій ми розглянули, як слід проектувати друковану плату імпульсного джерела живлення на мікросхемі з вбудованими ключовими транзисторами. Інформацію по розробці імпульсних джерел живлення на мікросхемах, які керують зовнішніми транзисторами, дивіться в інших навчальних матеріалах і статтях [6 ... 9], опублікованих Maxim Integrated.

висновок

Час, витрачений на ретельне проектування друкованої плати джерела живлення, принесе безліч дивідендів і забезпечить ефективність і «чистоту» харчування. У свою чергу, наявність якісного чистого напруги харчування і чистої землі, таких необхідних будь-якому електронному пристрою, стане хорошим фундаментом, на якому можна будувати решту схеми. Інша перевага для розробника полягає в тому, що при хорошому харчуванні і чистій землі налагодження інших схем значно спрощується. Пошук спорадичних або перемежовуються помилок при галасливому харчуванні і зашумленной землі може стати справжнім кошмаром. Досвідчені інженери, розуміючи важливість правильно спроектованого джерела живлення, ніколи не шкодують на нього часу і не перекладають цю роботу на плечі менш досвідчених колег. Це дійсно важливо.

література

1. Maxim Integrated tutorial 3630. Power Supply and Ground Design for a WiFi Transceiver. Figures 2 and 3;
2. KEMET SPICE Software. Kemet. The Capacitance Company (Capacitor Self-Resonance) (Freeware) // (www.kemet.com/Spice);
3. Johanson Technology. JTIsoft (freeware) // (www.johansontechnology.com);
4. AVX Corporation Spice Software website // (www. Avx.com/SpiApps/default.asp);
5. American Technical Ceramics. Circuit Designer's Notebook (Capacitor handbook) ;
6. Maxim Integrated tutorial 2997. Basic Switching-Regulator-Layout Techniques. March 25. 2004;
7. Maxim Integrated application note 4944. Layout Guidelines Maximize Automotive Power-Supply Performance and Minimize Emissions;
8. Maxim Integrated tutorial 716. Proper Layout and Component Selection Controls EMI;
9. Maxim Integrated application note 3645. Correct Board Layout Lowers EMI of Switch-mode Converters.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

•••