- 입력 및 관련 필터에 대한 지침
- 드라이버 회로 및 제어 회로에 대한 지침
- 인덕터 및 변압기 스위칭 지침
- 출력 브리지 및 필터 섹션 지침
- SMPS PCB 레이아웃에 대한 접지 바운스 감소
- IPC 표준 준수
- 감지 선을위한 켈빈 연결
스위칭 전원 공급 장치는 전력 전자 장치에서 널리 사용되는 전원 공급 장치 토폴로지입니다. 복잡한 CNC 기계이든 소형 전자 장치이든 상관없이 장치가 일종의 전원 공급 장치에 연결되어있는 한 SMPS 회로는 항상 필수입니다. 부적절하거나 결함이있는 전원 공급 장치는 회로가 얼마나 잘 설계되고 작동하는지에 관계없이 제품에 큰 오류를 일으킬 수 있습니다. 우리는 이미 각각 Power Integration 및 Viper 컨트롤러 IC를 사용하여 12V 1A SMPS 및 5V 2A SMPS와 같은 SMPS 전원 공급 장치 회로를 꽤 많이 설계했습니다.
모든 스위칭 전원 공급 장치는 스위칭 드라이버 사양에 따라 지속적으로 켜지거나 꺼지는 MOSFET 또는 파워 트랜지스터와 같은 스위치를 사용합니다. 이 ON 및 OFF 상태의 스위칭 주파수는 수백 킬로 헤르츠에서 메가 헤르츠 범위입니다. 이러한 고주파 스위칭 모듈 에서 PCB 설계 전술은 훨씬 더 필수적이며 때때로 설계자가 간과합니다. 예를 들어, 불량한 PCB 설계는 전체 회로의 고장으로 이어질 수있을뿐만 아니라 잘 설계된 PCB는 많은 불쾌한 이벤트를 해결할 수 있습니다.
일반적으로이 튜토리얼은 모든 종류의 스위치 모드 전원 공급 장치 기반 PCB 설계에 필수적인 중요한 PCB 설계 레이아웃 지침 의 몇 가지 세부 사항을 제공 합니다. SMPS 회로에서 EMI 감소를위한 설계 기법을 확인할 수도 있습니다.
먼저 스위치 모드 전원 공급 장치를 설계하려면 회로 요구 사항 및 사양을 명확하게 표시해야합니다. 전원 공급 장치에는 네 가지 중요한 부분이 있습니다.
- 입력 및 출력 필터.
- 드라이버, 특히 제어 회로를위한 드라이버 회로 및 관련 부품.
- 인덕터 또는 변압기 스위칭
- 출력 브리지 및 관련 필터.
PCB 설계에서 이러한 모든 세그먼트는 PCB에서 분리되어야하며 특별한주의가 필요합니다. 이 기사에서는 각 부분에 대해 자세히 설명합니다.
입력 및 관련 필터에 대한 지침
입력 및 필터 섹션은 잡음이 있거나 조정되지 않은 공급 라인이 회로에 연결되는 곳입니다. 따라서 입력 필터 커패시터 는 입력 커넥터 및 드라이버 회로에서 균일 한 간격으로 배치되어야합니다. 입력 섹션을 드라이버 회로와 연결하려면 항상 짧은 연결 길이를 사용하는 것이 중요합니다.
위 이미지에서 강조 표시된 부분은 필터 커패시터 의 근접 배치를 나타냅니다.
드라이버 회로 및 제어 회로에 대한 지침
드라이버는 주로 내부 MOSFET으로 구성되거나 때로는 스위칭 MOSFET이 외부 적으로 연결됩니다. 스위칭 라인은 항상 매우 높은 주파수 에서 켜지고 꺼 지며 매우 노이즈가 많은 공급 라인을 생성합니다. 이 부분은 항상 다른 모든 연결과 분리되어야합니다.
예를 들어 변압기로 직접가는 고전압 DC 라인 (플라이 백 SMPS의 경우) 또는 파워 인덕터로 직접가는 DC 라인 (벅 또는 부스트 토폴로지 기반 스위칭 레귤레이터)은 분리되어야합니다.
아래 이미지에서 강조 표시된 신호는 고전압 DC 라인입니다. 신호는 다른 신호와 분리되는 방식으로 라우팅됩니다.
스위치 모드 전원 공급 장치 설계에서 가장 노이즈가 많은 라인 중 하나 는 AC-DC 플라이 백 설계 이든 벅, 부스트 또는 벅-부스트 토폴로지 기반 저전력 스위칭 전원 공급 장치 이든 관계없이 드라이버 의 드레인 핀입니다. 디자인. 이 유형의 라우팅은 일반적으로 매우 고주파 신호를 전달하기 때문에 항상 다른 모든 연결과 분리되어야하며 매우 짧아야합니다. 이 신호 라인을 다른 신호 라인과 분리하는 가장 좋은 방법은 밀링 또는 치수 레이어를 사용하여 PCB 컷 아웃 을 사용하는 것입니다.
아래 이미지에는 옵토 커플러와 PCB 컷 아웃이 안전한 거리에있는 절연 드레인 핀 연결이 표시되어있어 다른 라우팅 또는 신호의 간섭을 제거합니다.
또 다른 중요한 점은 드라이버 회로에는 거의 항상 매우 민감한 피드백 또는 감지 된 라인 (입력 전압 감지 라인, 출력 감지 라인과 같은 두 개 이상)이 있으며, 드라이버 작동은 피드백 감지에 의해 전적으로 의존적이라는 것입니다. 모든 종류의 피드백 또는 감지 라인은 노이즈 커플 링을 방지하기 위해 길이가 더 짧아야 합니다. 이러한 유형의 라인은 항상 전원, 스위칭 또는 기타 잡음이있는 라인과 분리되어야합니다.
아래 이미지는 옵토 커플러에서 드라이버로의 별도의 피드백 라인을 보여줍니다.
뿐만 아니라 드라이버 회로에는 드라이버 회로 작동을 제어하는 데 필요한 커패시터, RC 필터와 같은 여러 유형의 구성 요소가있을 수 있습니다. 이러한 구성 요소 는 드라이버에 가깝게 배치 해야합니다.
인덕터 및 변압기 스위칭 지침
스위칭 인덕터는 부피가 큰 커패시터 다음으로 모든 전원 공급 장치 보드에서 사용 가능한 가장 큰 구성 요소입니다. 한 가지 잘못된 설계는 인덕터 리드 사이에 모든 종류의 연결을 라우팅하는 것입니다. 전원 또는 필터 인덕터 패드간에 신호를 라우팅하지 않는 것이 중요합니다.
또한 변압기가 전원 공급 장치, 특히 AC-DC SMPS에 사용될 때마다이 변압기의 주요 용도는 입력을 출력과 격리하는 것입니다. 1 차 및 2 차 패드 사이의 적절한 거리가 필요합니다. 연면 거리 를 늘리는 가장 좋은 방법 중 하나 는 밀링 레이어를 사용하여 PCB 컷오프를 적용하는 것입니다. 변압기 리드 사이에 어떤 종류의 라우팅도 사용하지 마십시오.
출력 브리지 및 필터 섹션 지침
출력 브리지는 부하 전류에 따라 열을 발산하는 고전류 쇼트 키 다이오드입니다. 일부 경우 에는 구리 평면을 사용하여 PCB 자체에서 생성해야하는 PCB 방열판 이 필요합니다. 방열판 효율은 PCB 구리 면적과 두께에 비례합니다.
PCB에는 일반적으로 35 미크론과 70 미크론의 두 가지 유형의 구리 두께가 있습니다. 두께가 더 높은, 더 나은 열 연결 및 PCB 방열판 면적이 단축 얻을. PCB가 이중층이고 가열 된 공간을 PCB에서 사용할 수없는 경우 구리 평면의 양면을 사용할 수 있으며 공통 비아를 사용하여 두 측면을 연결할 수 있습니다.
아래 이미지는 하단 레이어에 생성 된 쇼트 키 다이오드의 PCB 방열판의 예입니다.
쇼트 키 다이오드 바로 뒤의 필터 커패시터 는 인덕터, 브리지 다이오드 및 커패시터를 통한 공급 루프가 매우 짧아 지는 방식으로 변압기 또는 스위칭 인덕터에 매우 가깝게 배치되어야 합니다. 이러한 방식으로 출력 리플을 줄일 수 있습니다.
위의 이미지는 트랜스포머 출력에서 브리지 다이오드 및 필터 커패시터로의 짧은 루프의 예입니다.
SMPS PCB 레이아웃에 대한 접지 바운스 감소
첫째, 접지 충전 이 필수적이며 전원 공급 장치 회로에서 서로 다른 접지면 을 분리 하는 것이 또 다른 가장 중요한 사항입니다.
회로 관점에서 스위칭 전원 공급 장치는 모든 구성 요소에 대해 단일 공통 접지를 가질 수 있지만 PCB 설계 단계에서는 그렇지 않습니다. PCB 설계 관점에 따라 접지는 두 부분으로 나뉩니다. 첫 번째 부분은 전원 접지 이고 두 번째 부분은 아날로그 또는 제어 접지입니다.. 이 두 근거는 동일한 연결을 가지고 있지만 큰 차이가 있습니다. 아날로그 또는 제어 접지는 드라이버 회로와 관련된 구성 요소에서 사용됩니다. 이러한 구성 요소는 저 전류 복귀 경로를 생성하는 접지면을 사용하는 반면, 전원 접지는 고전류 복귀 경로를 전달합니다. 전원 구성 요소는 노이즈가 많으며 동일한 접지에 직접 연결되어있는 경우 제어 회로에서 불확실한 접지 바운스 문제를 일으킬 수 있습니다. 아래 이미지는 아날로그 및 제어 회로가 단일 레이어 PCB에서 PCB의 다른 전원 라인 과 완전히 분리되는 방식을 보여줍니다.
이 두 부분은 분리되어야하며 특정 영역에서 연결되어야합니다.
이것은 PCB가 이중층 인 경우에 쉽습니다. 즉, 최상층이 제어 접지로 사용될 수 있고 모든 제어 회로가 최상위 계층의 공통 접지면에 연결되어야하는 것과 같습니다. 반면 하단 레이어는 전원 접지로 사용할 수 있으며 모든 노이즈가있는 구성 요소는이 접지면을 사용해야합니다. 그러나이 두 접지는 동일한 연결이며 회로도에서 연결됩니다. 이제 상단 및 하단 레이어를 연결하기 위해 비아를 사용하여 두 개의 접지면을 단일 위치에 연결할 수 있습니다. 예를 들어 아래 이미지를 참조하십시오.
드라이버의 위 부분에는 Power GND라는 접지면을 별도로 사용하는 모든 전력 필터 관련 커패시터가 있지만 드라이버 IC의 아래 부분은 별도의 제어 GND를 사용하는 모든 제어 관련 구성 요소입니다. 두 접지는 동일한 연결이지만 별도로 생성됩니다. 그런 다음 두 GND 연결이 드라이버 IC를 통해 결합되었습니다.
IPC 표준 준수
IPC PCB 설계 표준에 따라 PCB 지침 및 규칙을 따르십시오. 이것은 설계자가 IPC2152 및 IPC-2221B에 설명 된 PCB 설계 표준을 따르는 경우 항상 오류 가능성을 최소화합니다. 주로 트레이스 의 너비가 온도 및 전류 전달 용량에 직접적인 영향을 미친다는 것을 기억하십시오. 따라서 트레이스의 잘못된 너비는 온도 상승과 불량한 전류 흐름으로 이어질 수 있습니다.
두 트레이스 사이 의 간격은 불확실한 고장이나 누화 (때로는 고전류 고전압 애플리케이션에서 크로스 파이어)를 방지하는 데 중요합니다. IPC-9592B는 전원 공급 장치 기반 PCB 설계에서 전원 라인 사이의 권장 간격을 설명합니다.
감지 선을위한 켈빈 연결
켈빈 연결은 제어 회로의 성능에 영향을 미치는 측정의 정확성 때문에 전원 공급 장치 보드 설계에서 또 다른 중요한 매개 변수입니다. 전원 공급 장치 제어 회로에는 항상 전류 감지 또는 피드백 또는 감지 라인의 전압 감지와 같은 일종의 측정이 필요합니다. 이 감지는 다른 신호 또는 트레이스가 감지 라인을 방해하지 않도록 구성 요소 리드에서 수행되어야합니다. 켈빈 연결은 동일한 것을 달성하는 데 도움이됩니다. 감지 라인이 차동 쌍인 경우 두 트레이스의 길이는 동일해야하며 트레이스는 구성 요소 리드를 통해 연결되어야합니다.
예를 들어, 켈빈 연결은 Texas Instruments의 전력 컨트롤러 PCB 설계 지침에 올바르게 설명되어 있습니다.
위 이미지는 켈빈 연결을 사용한 적절한 전류 감지를 보여줍니다. 올바른 연결은 감지 라인 설계에 필수적인 적절한 켈빈 연결입니다. PCB 레이아웃도 해당 문서에서 적절하게 제공됩니다.
PCB 레이아웃은 드라이버 또는 컨트롤러 IC에서 10nF와 1nF 세라믹 커패시터 간의 밀접한 연결을 보여줍니다. 감지 선은 적절한 켈빈 연결도 반영합니다. 내부 전원 레이어는 노이즈 커플 링을 줄이기 위해 여러 비아를 사용하여 동일하지만 분리 된 소스 라인에 연결된 분리 된 소스 라인입니다.