Kurs Projektowania PCB #10: Przetwornice oraz indukcyjność zasilania

H1M4W4R1 · 17 stycznia

Wstęp

Do tej pory korzystałeś głównie ze stabilizatorów liniowych. W wielu projektach w pełni wystarczają, jednak przy zasilaniu bateryjnym lub pracy z większymi różnicami napięć ich sprawność bardzo szybko staje się niewystarczająca. Dlatego w tym rozdziale rozszerzę temat zasilania o przetwornice impulsowe i kilka nowych zasad projektowych, które są z nimi silnie związane.

Dlaczego przetwornice?

Przetwornice impulsowe (zwłaszcza buck i boost) umożliwiają bardzo wydajną konwersję energii z jednego napięcia na inne. Na przykład układ RT6150B to przetwornica buck-boost — może zarówno obniżać, jak i podwyższać napięcie wejściowe. Dzięki temu idealnie nadaje się do zasilania z baterii, gdzie napięcie zmienia się w szerokim zakresie (np. 2,6–4,2 V), a Ty chcesz uzyskać stabilne 3,3 V.

Na przykładowej płytce znajdują się dwie takie przetwornice. Już samo ich rozmieszczenie wymusza stosowanie kilku nowych zasad projektowych.

Przetwornice umieszczone na płytce

Separacja elementów i prowadzenia sygnałów

Jeśli spojrzysz na układ przetwornicy, zauważysz, że cewka L1 i rezystory ustalające jej napięcie wyjściowe są odseparowane przelotkami. To działanie celowe — ma pomóc w ograniczaniu zakłóceń przenoszących się na pozostałe części płytki.

Warto również zwrócić uwagę na orientację cewki. Zwoje cewki powinny być ustawione prostopadle względem wrażliwych ścieżek sygnałowych. Cewka wytwarza silne pole elektromagnetyczne i niewłaściwe ułożenie może prowadzić do przenikania zakłóceń na linie cyfrowe lub analogowe.

Dobór rezystorów sprzężenia zwrotnego

Rezystory ustalające napięcie wyjściowe przetwornicy dobierasz na podstawie dokumentacji producenta. Choć szczegółowe czytanie dokumentacji nie jest częścią tego kursu, warto samodzielnie spróbować znaleźć takie informacje. Możesz też skorzystać z przygotowanego artykułu i e-booka, jeśli chcesz zagłębić się w temat.

Zasady prowadzenia ścieżek mocy

Przy elementach takich jak cewki i kondensatory mocy szczególnie ważne jest odpowiednie prowadzenie ścieżek:

Utrzymuj ścieżki mocy możliwie krótkie.
Unikaj przelotek w torze prądowym przetwornicy.
Umieszczaj elementy mocy jak najbliżej układu scalonego przetwornicy.
Przelotki mają niewielki przekrój, a więc dość dużą rezystancję, która potrafi powodować nagrzewanie oraz dodatkowe zakłócenia.

Tego typu drobne detale znacząco wpływają na stabilność całego układu.

Ścieżki i elementy mocy (takie jak przetwornice, ale również tranzystory) powinny znajdować się jak najdalej od wrażliwych ścieżek sygnałowych, gdyż mogą generować zakłócenia.

Via stitching — przelotki masowe

Przykładowa płytka

Na płytce możesz zauważyć równomiernie rozmieszczone przelotki masowe. Taki zabieg nazywa się via stitching. Pełni on kilka bardzo ważnych funkcji:

zmniejsza indukcyjność połączeń masowych (a ta może powodować zakłócenia),
poprawia ekranowanie pól miedzi, zmniejszając emisje elektromagnetyczne,
ułatwia rozpraszanie ciepła między warstwami.

Indukcyjność to właściwość przewodnika, która sprawia, że przeciwstawia się on szybkim zmianom prądu. W obwodach zasilania jest niepożądana, ponieważ powoduje powstawanie zakłóceń i spadków napięcia względem masy. Właśnie dlatego tak ważne jest „zagęszczanie” połączeń masowych.

Dobór odległości między przelotkami

Aby via stitching działał jak ekran, odległość między przelotkami powinna być mniejsza niż: Lspacing = (1/20) × c / (√ε × fmax)

gdzie:

c — prędkość światła,
ε — przenikalność dielektryka laminatu,
fmax — maksymalna częstotliwość sygnałów na PCB.

W większości projektów hobbystycznych wystarczy zachować kilka milimetrów odstępu.

Jak wykonać via stitching w EasyEDA Pro?

Wybierz narzędzie Suture Vias z menu Place na pasku narzędziowym
Ustaw:
1. sieć (najczęściej GND),
2. średnicę przelotek i otworów,
3. docelowy odstęp.
Zatwierdź dodanie przelotek.

To szybki sposób na poprawę integralności sygnałowej i odprowadzania ciepła.

Edytowano 17 stycznia przez H1M4W4R1