Comprenda la relación entre el diseño y la PCB en un solo artículo.

Debido a las características de conmutación de las fuentes de alimentación conmutadas, estas son propensas a generar grandes interferencias de compatibilidad electromagnética. Como ingeniero de potencia, ingeniero de compatibilidad electromagnética o ingeniero de diseño de PCB, es fundamental comprender las causas y soluciones de los problemas de compatibilidad electromagnética. En particular, los ingenieros de diseño necesitan saber cómo evitar la proliferación de puntos de suciedad. Este artículo presenta principalmente los puntos clave del diseño de PCB de potencia.

29 relaciones básicas entre el diseño y la PCB

1. Varios principios básicos: Cualquier cable tiene impedancia; la corriente siempre elige automáticamente la ruta con la menor impedancia; la intensidad de la radiación está relacionada con la corriente, la frecuencia y el área del bucle; la interferencia de modo común está relacionada con la capacitancia mutua de grandes señales dv/dt a tierra; los principios para reducir la EMI y mejorar la capacidad antiinterferente son similares.

2. El diseño debe dividirse según la fuente de alimentación, la señal analógica, la señal digital de alta velocidad y diversos bloques funcionales.

3. Intente reducir el área de los bucles di/dt grandes y la longitud de las líneas de señal dv/dt grandes (o área; el ancho no debe ser excesivo, ya que un mayor área de enrutamiento aumenta la capacitancia distribuida. La práctica general es: el ancho de enrutamiento debe ser lo más grande posible, pero se debe eliminar el exceso), e intente reducir directamente su área circundante implícita para reducir la radiación.

4. La diafonía inductiva se produce principalmente por bucles di/dt grandes (antenas de bucle), y la intensidad de inducción es proporcional a la inductancia mutua, por lo que es fundamental reducir la inductancia mutua con estas señales (la principal forma de hacerlo es reducir el área de bucle y aumentar la distancia); la diafonía capacitiva se genera principalmente por señales dv/dt grandes, y la intensidad de inducción es proporcional a la capacitancia mutua, por lo que es fundamental reducir la capacitancia mutua con estas señales (la principal forma de hacerlo es reducir el área de acoplamiento efectiva y aumentar la distancia, ya que la capacitancia mutua disminuye más rápidamente con el aumento de la distancia).

5. Intente utilizar el principio de cancelación de bucle para el enrutamiento y reduzca aún más el área del bucle di/dt grande, como se muestra en la figura a continuación (similar al cable de par trenzado que utiliza el principio de cancelación de bucle para mejorar la capacidad antiinterferente y aumentar la distancia de transmisión):

6. Reducir el área del bucle no solo reduce la radiación, sino también la inductancia del bucle, lo que mejora el rendimiento del circuito.

7. Reducir el área del bucle requiere un diseño preciso de la ruta de retorno de cada línea.

8. Al conectar varias PCB mediante conectores, también es necesario minimizar el área del bucle, especialmente para señales di/dt grandes, señales de alta frecuencia o señales sensibles. Es recomendable que una línea de señal corresponda a una línea de tierra, y que ambas estén lo más cerca posible. Si es necesario, se pueden conectar con cables de par trenzado (la longitud de cada vuelta del cable de par trenzado corresponde a un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda del ruido). Al abrir la carcasa del ordenador, se puede observar que la placa base y la interfaz USB del panel frontal están conectadas con un cable de par trenzado, lo que demuestra la importancia de este tipo de conexión para la reducción de interferencias y la radiación.

9. Para el cableado de datos, procure disponer más cables de tierra y distribuirlos uniformemente para reducir eficazmente el área de bucle.

10. Aunque algunas líneas de conexión entre placas son señales de baja frecuencia, dado que estas señales contienen mucho ruido de alta frecuencia (por conducción y radiación), si no se gestionan correctamente, también es fácil que irradien estos ruidos.

11. Al realizar el cableado, considere primero el enrutamiento de alta corriente y el enrutamiento propenso a la radiación.

12. Las fuentes de alimentación conmutadas suelen tener cuatro bucles de corriente: entrada, salida, conmutación y rueda libre (como se muestra en la Figura 2). Entre ellos, los bucles de corriente de entrada y salida son prácticamente de CC y prácticamente no generan EMI, pero se interfieren con facilidad. Los bucles de corriente de conmutación y rueda libre tienen una di/dt elevada, lo cual requiere atención.

13. El circuito de control de compuerta de los tubos MOS (IGBT) también suele contener una di/dt elevada.

14. No coloque bucles de señal pequeños, como circuitos de control y analógicos, dentro de bucles de gran corriente, alta frecuencia y alta tensión para evitar interferencias.

15. Reduzca el área y la longitud del bucle de señal susceptible a interferencias (sensible) para reducirlas.

16. Mantenga las líneas de señal pequeñas alejadas de las líneas de señal dv/dt grandes (como el polo C o el polo D del tubo de conmutación, el amortiguador y la red de sujeción) para reducir el acoplamiento. Puede conectar una toma de tierra (o una fuente de alimentación, en cualquier caso, es una constante).Señal potencial) en el centro para reducir aún más el acoplamiento. La tierra y el plano de tierra deben estar en buen contacto. Las líneas de señal pequeña también deben mantenerse alejadas de las líneas de señal di/dt grandes en la medida de lo posible para evitar la diafonía inductiva. Es recomendable no tender líneas de señal pequeña bajo señales dv/dt grandes. Si la parte posterior de la línea de señal pequeña se puede conectar a tierra (la misma tierra), también se puede reducir la señal de ruido acoplada.

17. Una mejor solución es conectar la tierra alrededor y en la parte posterior de estas pistas de señal dv/dt y di/dt grandes (incluidos los polos C/D del dispositivo de conmutación y el disipador de calor del tubo de conmutación), conectar las capas superior e inferior de la tierra con vías y conectar esta tierra al punto de tierra común (generalmente el polo E/S del tubo de conmutación o la resistencia de muestreo) con una pista de baja impedancia. Esto puede reducir la EMI radiada. Cabe destacar que la tierra de la señal pequeña no debe conectarse a esta tierra apantallada, ya que de lo contrario introducirá mayor interferencia. Las trazas dv/dt grandes suelen acoplar la interferencia al disipador de calor y a la tierra cercana mediante capacitancia mutua. Es recomendable conectar el disipador de calor del tubo de conmutación a la tierra apantallada. El uso de dispositivos de conmutación de montaje superficial también reducirá la capacitancia mutua, reduciendo así el acoplamiento.

18. Es recomendable no utilizar vías en trazas propensas a interferencias, ya que interferirán con todas las capas que pasan a través de ellas.

19. El apantallamiento puede reducir la EMI radiada, pero debido al aumento de capacitancia a tierra, la EMI conducida (modo común o modo diferencial no intrínseco) aumentará. Sin embargo, siempre que la capa de apantallamiento esté correctamente conectada a tierra, no aumentará mucho. Esto se puede considerar en el diseño real.

20. Para evitar la interferencia de impedancia común, utilice una conexión a tierra de un solo punto y conduzca la alimentación desde un solo punto.

21. Las fuentes de alimentación conmutadas suelen tener tres tipos de tierra: tierra de alta corriente de la fuente de alimentación de entrada, tierra de alta corriente de la fuente de alimentación de salida y tierra de control de pequeña señal. El método de conexión a tierra se muestra en el siguiente diagrama:

22. Al conectar a tierra, primero debe determinar la naturaleza de la tierra antes de realizar la conexión. La tierra de muestreo y amplificación de error generalmente debe conectarse al polo negativo del condensador de salida; la señal de muestreo, generalmente, debe tomarse del polo positivo del condensador de salida; y la tierra de control de pequeña señal y la tierra de excitación generalmente deben conectarse al polo E/S del tubo de conmutación o a la resistencia de muestreo para evitar interferencias de impedancia común. Normalmente, las tierras de control y de excitación del CI no se conducen por separado. En este caso, la impedancia del cable desde la resistencia de muestreo hasta la tierra superior debe ser lo más pequeña posible para minimizar la interferencia de impedancia común y mejorar la precisión del muestreo de corriente.

23. Es mejor que la red de muestreo de voltaje de salida esté cerca del amplificador de error que del extremo de salida. Esto se debe a que las señales de baja impedancia son menos susceptibles a las interferencias que las de alta impedancia. Los pares de trazas de muestreo deben estar lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido detectado.

24. Tenga en cuenta que los inductores deben mantenerse separados y perpendiculares entre sí en el diseño para reducir la inductancia mutua, especialmente los inductores de almacenamiento de energía y los inductores de filtro.

25. Tenga en cuenta que cuando se utilizan condensadores de alta y baja frecuencia en paralelo, los condensadores de alta frecuencia deben estar cerca del usuario.

26. La interferencia de baja frecuencia generalmente es de modo diferencial (por debajo de 1 M), y la interferencia de alta frecuencia generalmente es de modo común, generalmente mediante acoplamiento de radiación.

27. Si la señal de alta frecuencia se acopla al cable de entrada, es fácil que se forme EMI (modo común). Se puede colocar un anillo magnético cerca de la fuente de alimentación del cable de entrada. Si la EMI se reduce, indica que existe este problema. La solución a este problema es reducir el acoplamiento o la EMI del circuito. Si el ruido de alta frecuencia no se filtra y se transmite al cable de entrada, también se generará EMI (modo diferencial). En este caso, el anillo magnético no puede resolver el problema. Dos inductores de alta frecuencia (simétricos) están conectados en serie cerca de la fuente de alimentación del cable de entrada. Si la EMI se reduce, indica la existencia de este problema. La solución es mejorar el filtrado o utilizar buffering, fijación u otros métodos para reducir la generación de ruido de alta frecuencia. 28. Medición de corriente de modo diferencial y de modo común:

29. El filtro EMI debe estar lo más cerca posible de la línea de entrada, y esta debe ser lo más corta posible para minimizar el acoplamiento entre las etapas frontal y posterior del filtro EMI. Es mejorPara proteger la línea de entrada con la tierra del chasis (el método es el descrito anteriormente). El filtro EMI de salida también debe tratarse de forma similar. Procure mantener la distancia entre la línea de entrada y la línea de señal dv/dt alta lo más lejos posible y téngalo en cuenta en el diseño.