160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы без гальванической развязки

Факторы, учитываемые при разводке печатной платы

Макетная плата, применяемая на начальных этапах изучения электроники, пригодна только для маломощного источника питания с частотой коммутации до 20 кГц. На практике очень немногие источники питания работают на такой низкой частоте. Современный импульсный стабилизатор работает на частотах от 100 кГц до нескольких МГц. Гармоники импульсного сигнала простираются до диапазона ОВЧ. В случае ошибки в разводке печатной платы, предназначенной для работы на высоких частотах, результаты окажутся неутешительными (например, в виде больших клубов дыма).

Существуют две проблемы, на которые нам нужно обратить внимание. Во-первых, следует выполнить разводку печатной платы источника питания так, чтобы она не нарушила корректность работы схемы. Во-вторых, необходимо выяснить, как могут повлиять напряжения и большие плотности тока на систему в целом, если поместить источник питания слишком близко к помехочувствительным цепям.

Процессор Pentium потребляет ток 40 А. Даже на сопротивлении всего лишь 0.01 Ом падение напряжения составит 0.4 В. В таком источнике питания очень важно разделить низкоуровневые сигналы и линии высокого тока выпрямителей и ключей. Очень легко упустить из виду магнитные эффекты, вызванные протеканием таких больших токов. Любой контур, по которому течёт ток, можно представить как один виток дросселя, наличию которого мы можем не придать значения. В нашем примере можно создать с десяток источников переменных магнитных полей, которые оказываются связаны с соседними дорожками и контурами печатной платы источника питания и другими близлежащими цепями. Конечно, источники питания, которые используются для процессоров Pentium, работают в экстремальных условиях, но зато это яркий пример того, как легко в импульсных источниках питания небрежное отношение к разводке печатной платы может стать источником проблем.

На Рис. 4.12 ) представлена выбранная нами в качестве примера стандартная разводка печатной платы для типовой схемы включения интегральной микросхемы LT1871.

Схема преобразователя на основе микросхемы LT1871Рис. 4.12 (a). Схема преобразователя на основе микросхемы LT1871

На рисунке не показана обратная сторона печатной платы. При разводке на ней необходимо создать большой сплошной заземлённый слой, который с правой стороны платы доходит до переходного отверстия у вывода заземления микросхемы. В этой точке заземлённый слой сужается и соединяется с переходными отверстиями задающей и измерительной цепей. На схеме это изображено тонкой линией, соединяющей вывод GND и компоненты левой части схемы.

Типовая схема разводки печатной платы для преобразователя на основе микросхемы LT1871Рис. 4.12 ). Типовая схема разводки печатной платы для преобразователя на основе микросхемы LT1871

Первое, на что нужно обратить внимание при разводке, — ток общего провода первичного источника питания должен напрямую протекать в выходную цепь. Заметьте, что схема построена так, чтобы ориентировочно показывать физическое расположение компонентов на печатной плате. Все ключевые компоненты, а также CIN и СOUT размещаются рядом друг с другом подальше от сигнального заземления микросхемы LT1871. Соединение микросхемы с общим проводом является частью измерительной цепи, поэтому любые изменения напряжения вследствие импульсных токов, текущих из входного конденсатора в выходной, могут изменить напряжение, прикладываемое к измерительным цепям внутри микросхемы. Общий ток микросхемы в моменты коммутации МОП-транзистора может быть также довольно большим. Величина пикового тока затвора может в моменты отпирания или запирания ключа достигать сотен миллиампер. Это значит, что требуется довольно широкая дорожка между выводом GND микросхемы и общей точкой конденсаторов CIN и СOUT. Обратите внимание на большую заземлённую область и подключенный к одному из её углов вывод GND микросхемы, что ограничивает изменение напряжения из-за переменного тока, текущего в эту область из CIN и СOUT. Большая часть постоянного тока протекает по заземлённому слою с обратной стороны печатной платы (не показан на Рис. 4.12). На рисунке показаны подключения линий VIN, VOUT и GND. Подключения общих проводов входа и выхода должны быть произведены между CIN и СOUT чтобы ток сосредоточивался вблизи ключевых компонентов.

Линии, подключённые к резисторам цепи обратной связи и ко входу измерителя тока, должны быть отнесены как можно дальше от линий, управляющих затвором ключа и соединяющих ключи с дросселем. В этих линиях протекают большие переменные токи, и даже небольшие замкнутые контуры вблизи них превращаются в одновитковые дроссели, которые создают заметные переменные напряжения помех и влияют на работу линейных элементов схемы. В схеме присутствуют две основные магнитные петли. Первая состоит из L1, CIN и Q1. Вторая включает СOUT, D1 и Q1. Мы можем минимизировать влияние магнитных полей на измерительные цепи, укорачивая дорожки и, насколько это возможно, приближая их друг к другу. Тем самым минимизируются площадь контура и наводимое в нём напряжение.

Те же самые факторы нужно учитывать в схемах с накачкой заряда, где импульсные токи довольно велики. Необходимо будет объединить подключения к общему проводу ИС, CIN и СOUT в одну точку и в случае реализации стабилизированного преобразователя отнести все возможные контуры подальше от входа обратной связи.

Коль скоро работа современных источников питания осуществляется на очень высоких частотах, токопроводящие дорожки следует делать как можно шире. Даже полуторасантиметровый отрезок узкой дорожки может обладать индуктивностью во многие десятки наногенри. Все примеры проектирования, рассмотренные в этой главе, предполагают, что соответствующие схемы имеют минимальное количество паразитных элементов. Если вы невнимательно отнесётесь к паразитным индуктивностям на печатной плате, то при коммутации могут появиться непредвиденные дополнительные напряжения помех, которые будут воздействовать на работу тех или иных компонентов схемы. По возможности применяйте поверхностный монтаж, чтобы минимизировать паразитные индуктивности, образуемые выводами различных компонентов.

160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172