№9 / 2015 / статья 2

Схемы начинаются с питания. Основы компоновки и трассировки плат импульсных источников питания

Билл Лаумайстер (Maxim Integrated)

В статье приводятся советы и рекомендации по созданию проводящего рисунка цепей питания и заземления при проектировании печатных плат, рассматриваются особенности соединения «звездой» для силовых линий питания и земли, а также многочастотной развязки этих цепей. Кроме того, в статье демонстрируется, как, меняя расположение компонентов, можно уменьшить петлю протекания мощных высокочастотных токов.

Разработка электронных схем подобна строительству многоэтажных зданий в сейсмоопасных районах. В обоих случаях функциональность и долговечность немыслимы без хорошего фундамента.

Идеальный источник питания преобразует поступающий в жилые дома и производственные цеха переменный ток (AC) в необходимый для работы электроники постоянный ток (DC). В идеальном мире в постоянном токе нет ни шумов, ни пульсаций, ни гармоник переменного тока. Вдобавок, в таком мире земля, являющаяся началом отсчета для всей системы питания постоянного тока, непорочно чиста. Став инженерами, мы быстро узнаем, что наш мир весьма далек от совершенства. А это значит, что мы должны использовать все свои знания и умения, чтобы добиваться желаемых результатов, несмотря на имеющиеся ограничения.

Прежде всего, следует разобраться с окружающими условиями и понять, что в радиочастотном диапазоне помехи часто создаются внешними передатчиками, а также цифровыми схемами, работающими на той же печатной плате. Давайте начнем с розетки с переменным напряжением. В большинстве случаев желательно использовать сетевой фильтр, подобный показанному на рисунке 1.

Рис. 1. Синфазный сетевой фильтр

Рис. 1. Синфазный сетевой фильтр

Основное назначение фильтра – обеспечение симметричной двусторонней защиты. Он защищает от помех, которые могут попасть в электронное устройство из сети переменного тока, и в то же время не дает помехам, генерируемым самим устройством, проникнуть в сеть. Необходимо проверять как уровень помех, излучаемых устройством, так и приемлемость поступающих в него сигналов.

Обычные ошибки на уровне платы

В общем случае, в многослойных платах сплошные земляные полигоны и полигоны питания обеспечивают целостность сигналов в максимальной степени.

На начальном этапе следует выбрать точки подключения земли на шасси и на всех печатных платах. Некоторые неопытные разработчики рассматривают землю как некое магическое место, в котором исчезают все наводки и нивелируются все просчеты. Иногда они выбирают вначале точку земли, но не обеспечивают раздельных путей протекания возвратных токов к этой точке от схем разных типов. Подобную ошибку иллюстрирует рисунок 2.

Рис. 2. Ошибки, приводящие к зашумленной земле

Рис. 2. Ошибки, приводящие к зашумленной земле

Начнем с отмеченной звездочкой точки заземления на источнике питания +5 В. Генерируемые цифровыми схемами шумы будут попадать как в источник питания 5 В, так и на землю. Понятно, что аналоговой схеме требуется «чистое» напряжение +3,3 В, но мыполенились провести отдельные дорожки земли и шины +5 В к обозначенным звездочками точкам на источнике питания. Линейный LDO-стабилизатор необходим для создания чистых 3,3 В, во всяком случае, нам так кажется. В действительности напряжение на выходе линейного стабилизатора всегда будет ровно на 3,3 В выше опорного напряжения или потенциала земли. Следовательно, если LDO-стабилизатор выполняет свою работу, а потенциал земли скачет вверх и вниз, словно дрожащая красная стрелка индикатора, то выходное напряжение +3,3 В станет изменяться вслед за потенциалом земли. А теперь поинтересуемся, сколько времени понадобится на поиск причин некорректной работы модуля, в котором не предусмотрено раздельное подключение цифровых и аналоговых схем к источнику питания? Лучший способ подключения аналоговой схемы показан на рисунке 3.

Рис. 3. Надлежащее подключение к земле и питанию. Предполагается, что в точках подключения земля и питание чистые

Рис. 3. Надлежащее подключение к земле и питанию. Предполагается, что в точках подключения земля
и питание чистые

Утверждение, что в точках, помеченных на рисунке 3 звездочками, земля и питание чистые, означает, что в этих точках они однородны, между землей и питанием нет дифференциального шума. В идеале выходной импеданс источника питания должен быть почти нулевым, или на выходе должны стоять развязывающие конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением в интересуемом диапазоне частот. У индивидуальных проводников, подключающих различные схемы к точкам земли и питания, также имеется свое сопротивление и индуктивность. Мы рассчитываем на то, что эти сопротивление и индуктивность изолируют шумящие схемы от чистых схем. Последовательно включенные сопротивление и индуктивность, а также развязывающие конденсаторы на выходах схемных блоков формируют фильтр нижних частот. Если проводник, идущий к схемному блоку, относительно короток – может потребоваться дискретный резистор или индуктивность.

Рис. 4. Конденсатор с присущими ему паразитны- ми компонентами

Рис. 4. Конденсатор с присущими ему паразитны-
ми компонентами

Обеспечить развязку не так уж просто, поскольку у конденсаторов имеются паразитные индуктивности. На практике конденсатор описывают в виде последовательной RCL-схемы (рисунок 4). Емкость доминирует на низких частотах, но выше частоты последовательного резонанса (Self-Resonance Frequency (SRF) – собственная резонансная частота), показанной для различных номиналов конденсаторов на графиках (рисунок 5), находится область, в которой импеданс конденсатора носит индуктивный характер. Таким образом, конденсатор полезен для развязки только в диапазоне частот, находящихся вблизи или ниже его SRF, то есть там, где его импеданс мал.

Рис. 5. Шесть конденсаторов разных номиналов и их собственные резонансные частоты

Рис. 5. Шесть конденсаторов разных номиналов и их собственные резонансные частоты

На рисунке 5 показаны типичные частотные характеристики конденсаторов разных номиналов [1]. На рисунке ясно видны собственные резонансные частоты (спады на графиках). Приведенные характеристики также показывают, что на низких частотах конденсаторы с более высокими значениями емкостей (обладающие более низким импедансом) обеспечивают более качественную развязку, чем конденсаторы меньших номиналов. Для построения частотных характеристик конденсаторов можно использовать бесплатные SPICE-программы [2…4].

Импульсные источники питания на ИС: специфические ошибки

Обратите внимание, что на рисунке 6 используются два разных символа земли. Символ в виде треугольника означает землю, по которой протекает большой импульсный ток с высокой скоростью нарастания. Необходимо изолировать идущие с высокой частотой сильноточные импульсы от опорной или аналоговой земли со слабыми сигналами.

Рис. 6. Упрощенная схема импульсного источника питания на базе MAX17501

Рис. 6. Упрощенная схема импульсного источника питания на базе MAX17501

На рисунке 6 входной фильтрующий керамический конденсатор (C1) [5] расположен рядом с выводом VIN микросхемы. Этот конденсатор действует как энергетический резервуар, сглаживая мощные импульсы, которые в его отсутствие возвращались бы в источник питания постоянного тока

В зависимости от времени нарастания переключающих импульсов данный конденсатор может быть составлен из нескольких конденсаторов разных номиналов, чтобы охватить больший частотный диапазон. Блокировочный конденсатор, подключаемый к выводу VCC, также следует располагать максимально близко к этому выводу. Возможно, что и этот конденсатор также понадобится составить из нескольких конденсаторов. Для максимально эффективного отвода тепла под металлическим основанием микросхемы (exposed pad) следует предусмотреть несколько переходных отверстий, обеспечивающих тепловую связь с земляным полигоном.

Рис. 7. Изоляция между землями, точка их соединения и контур протекания сильного тока (обозначен красной штриховой линией)

Рис. 7. Изоляция между землями, точка их соединения и контур протекания сильного тока (обозначен
красной штриховой линией)

Контур протекания тока, показанный на рисунке 7 – самая важная область в импульсном источнике питания. Изоляция двух земель критична для стабильной работы, так как небольшие изменения в данном случае могут оказать значительное воздействие на эффективность и шумность источника питания, на уровень излучаемых им электромагнитных и радиочастотных помех. Поскольку по этому контуру протекают импульсные токи, для уменьшения индуктивности рассеяния (паразитной индуктивности) печатные проводники должны быть очень короткими и максимально широкими. Контур необходимо делать минимально возможным: простой поворот дросселя на 90° может на 20% улучшить характеристики платы. Для снижения индуктивности переходного отверстия при необходимости используют два, четыре или даже большее число параллельных переходных отверстий.

На рисунке 7 переходное отверстие обозначено в виде круга с маленьким кружком внутри, что означает подключение к полигону силовой земли (треугольный знак земли на схеме). Эти переходные отверстия служат для подключения к полигону силовой земли (PGND) на нижней стороне платы и для подключения к общей точке земли, обозначенной звездочкой. Кружки со знаком X внутри обозначают опорную или стабильную сигнальную землю. Они обеспечивают ее подключение к отдельному земляному полигону на нижней стороне платы и соединение с силовой землей в обозначенной звездочкой общей точке. Импульсные токи не должны оказывать влияние на аналоговую малосигнальную или опорную землю. По этой причине ее и следует соединять с силовой землей в обозначенной звездочкой точке, где воздействие процессов переключения минимально. Как правило – на втором (возвратном) выводе блокировочного конденсатора, первый вывод которого подключен к выводу VCC микросхемы.

Переходные отверстия в виде круга со знаком «+» внутри служат для подачи напряжения с выхода источника на вывод обратной связи микросхемы. Печатный проводник необходимо проложить так, чтобы он как можно быстрее и дальше уходил от дросселя и токового контура. Последовательно включенный резистор (R4) должен находиться максимально близко к выводу обратной связи, так как он вместе с входной емкостью на этом выводе образует фильтр нижних частот (рисунок 8).

Рис. 8. Резистор R4 размещен вблизи выхода источника питания, длинная печатная дорожка к выводу обратной связи (FB/VO) работает как антенна

Рис. 8. Резистор R4 размещен вблизи выхода источника питания, длинная печатная дорожка к выводу
обратной связи (FB/VO) работает как антенна

Неопытный проектировщик печатной платы может, посмотрев на принципиальную схему, установить R4 вблизи силового выхода, как это показано на рисунке 8. Поскольку дроссель представляет собой неэкранированную катушку из намотанного на ферритовый сердечник провода, он генерирует интенсивное электромагнитное поле. Это поле наводит помехи (обозначенные оранжевыми пунктирными кружками), попадающие на вывод обратной связи, что ведет к нестабильной работе схемы, так как проводник между выводом обратной связи и резистором R4 превращается в антенну, ловящую шумы на фронтах импульсов тока.

Рис. 9. Перекрестные помехи между проводами могут иметь емкостную, магнитную, электростатическую природу или быть их комбинацией

Рис. 9. Перекрестные помехи между проводами могут иметь емкостную, магнитную, электростатическую
природу или быть их комбинацией

На рисунке 9 провод A – мощный источник помех, а провод B – приемник с высоким импедансом. Уровень наводимых перекрестных помех может быть снижен путем увеличения расстояния между проводами или уменьшения импеданса провода B.

Вспомним, что хотя частота переключений может быть равна всего нескольким десяткам килогерц, на фронтах переключающих импульсов возникают ВЧ-колебания, которые создают перекрестные помехи и генерируют шум. Поскольку ВЧ-колебания могут попадать в диапазон частот до многих сотен мегагерц, их необходимо контролировать. Вот почему лучше подать сигнал с выхода источника на вывод обратной связи, как это показано на рисунке 10. Проводник проходит на отдалении от контура протекания мощных импульсов тока (рисунок 7) и дросселя L1. Резистор R4 ослабляет любые помехи, показанные оранжевыми кружками. Размещение R4 вблизи вывода обратной связи микросхемы MAX17501 повышает эффективность фильтра нижних частот, образованного R4 и внутренней емкостью.

Рис. 10. Надлежащая разводка сигналов минимизирует перекрестные помехи. Резистор R4 и внутренняя емкость действуют как фильтр нижних частот, ослабляя помехи

Рис. 10. Надлежащая разводка сигналов минимизирует перекрестные помехи. Резистор R4 и внутренняя
емкость действуют как фильтр нижних частот, ослабляя помехи

Для объяснения базовых концепций мы рассмотрели, как следует проектировать печатную плату импульсного источника питания на микросхеме со встроенными ключевыми транзисторами. Информацию по разработке импульсных источников питания на микросхемах, управляющих внешними транзисторами, смотрите в других учебных материалах и статьях [6…9], опубликованных Maxim Integrated.

 

Заключение

Время, потраченное на тщательное проектирование печатной платы источника питания, принесет множество дивидендов и обеспечит эффективность и «чистоту» питания. В свою очередь, наличие качественного чистого напряжения питания и чистой земли, столь необходимых любому электронному устройству, станет хорошим фундаментом, на котором можно строить оставшуюся часть схемы. Другое преимущество для разработчика состоит в том, что при хорошем питании и чистой земле отладка других схем значительно упрощается. Поиск спорадических или перемежающихся ошибок при шумном питании и зашумленной земле может стать настоящим кошмаром. Опытные инженеры, понимая важность правильно спроектированного источника питания, никогда не жалеют на него времени и не перекладывают эту работу на плечи менее опытных коллег. Это действительно важно.

 

Литература

  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.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Наши информационные каналы

Рубрики:
Группы товаров:

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее