Utilizar una calculadora de líneas de transmisión para PCB facilita su diseño
Las calculadoras son enormemente útiles para sus diseños de PCB; sin embargo, el tener estos cálculos previamente integrados en la interfaz de usuario de su software de diseño de PCB es fenomenal.
ALTIUM DESIGNER
Herramientas de diseño de software que pueden mejorar sus cálculos para la tarjeta de circuitos.
Los diseñadores de fuentes comprenden la complejidad técnica y los requisitos funcionales que implica el uso de fuentes conmutadas en la disposición de PCB. La disposición determina los comportamientos funcionales y térmicos, así como los requisitos de interferencia electromagnética (EMI) para la fuente. Una buena disposición optimiza la eficiencia de la fuente y puede ahorrarle recursos asociados al blindaje mecánico y los filtros de EMI. Para el diseñador de la fuente, todo esto lleva a una disminución del tiempo de prueba de EMI y menos rondas de prueba para la PCB.
En contraste, una mala disposición causa problemas a altos niveles de corriente y que se vuelven evidentes con grandes diferencias entre las tensiones de salida y entrada. Algunos problemas comunes relacionados con una mala disposición en PCB incluyen la pérdida de regulación en corrientes de salida elevadas, exceso de ruido en las formas de onda alternantes y de salida, e inestabilidad en los circuitos. Altium Designer ofrece directrices para la disposición de fuentes en PCB que mitigan estos y otros problemas.
El usar estas directrices también le facilita la labor de llevar su producto hasta el mercado. Los organismos reguladores, tales como Underwriter Laboratories y la IEC, hacen pruebas de interferencia electromagnética irradiada (EMI), EMI conducida, estabilidad, eficiencia y vida útil. Altium Designer ofrece el análisis de circuitos e información necesarias para crear diseños de fuentes conmutadas (SMPS) que le permita superar estas y otras pruebas.
Uso del editor de PCB para una correcta definición del ancho de las pistas y líneas de transmisión
Utilizar las herramientas adecuadas para hallar la impedancia característica, la longitud unitaria y trazar precisamente sus líneas de transmisión puede ser un proceso difícil. El contar con una calculadora de líneas de transmisión para PCB puede ahorrarle problemas a futuro. Sin embargo, el tener una herramienta de diseño capaz de usar adecuadamente las reglas de diseño y a la vez colocar sistemáticamente los componentes de la tarjeta como un conductor puede ser imperativo.
El ancho de las pistas tiene un impacto directo en la capacidad de la fuente para minimizar el ruido. A medida que la corriente elevada fluya a través del bucle y se encuentre con resistencia residual, ocurre una caída de tensión y se irradia ruido RF. Como resultado, el ancho de las pistas impacta sobre la caída de voltaje.
Usar pistas más anchas mitiga la propagación de ruido debido a la existencia de una relación inversamente proporcional entre el ancho de una pista y la inductancia, y entre el ancho de la pista y la resistencia. El ruido y su corriente asociada viajan por cualquier trayecto de baja resistencia (en circuitos AC y DC) y por cualquier trayecto de baja impedancia (en circuitos AC) hasta el sitio donde ocurre la generación.
La relación con la inductancia se vuelve importante, porque la inductancia reduce la respuesta en frecuencia del bucle. A frecuencias más bajas, el bucle se vuelve una antena más eficiente. Como el bucle solamente irradia a bajas frecuencias, más energía de ruido se escapa al entorno.
Además de mantener la circunferencia del bucle en su mínimo y maximizar el ancho de las pistas, usted también puede usar condensadores en paralelo y las características físicas de su disposición de PCB para reducir la resistencia serie equivalente (ESR) y la inductancia serie equivalente (ESL) para el filtro de condensador. El colocar los condensadores en paralelo le permite al filtro de condensador absorber un mayor nivel de rizado (ripple) y a la vez minimizar el calentamiento de los componentes. En términos de la disposición, es necesario asegurarse que los componentes en el bucle y cada uno de los condensadores tenga una disposición idéntica y simétrica. Refinar su disposición de esta manera le garantiza que los capacitores paralelos compartan de manera equitativa la corriente y el calentamiento.
Altium Designer también le permite enrutar las pistas y componentes interactivamente para reducir los incrementos en EMI. Ubicar el inductor de baja EMI, condensador de salida y diodo de salida cerca los unos de los otros disminuye la inductancia parásita y la resistencia. A su vez, la proximidad de esos componentes reduce la ocurrencia de EMI irradiada junto con los picos de ruido, las oscilaciones y las pérdidas resistivas que causan errores de tensión.
Use Altium Designer para las tierras correctas
Al diseñar su circuito de fuente conmutada, recuerde que existen cinco tierras. Estas son:
- Tierra para fuente de entrada de alta corriente
- Tierra para bucle de entrada de alta corriente
- Tierra para rectificador de salida de alta corriente
- Tierra de carga de salida de alta corriente
- Tierra de control de bajo nivel
Siempre se deben considerar las tierras independientemente. Su circuito de fuente se volverá inestable si las tierras están conectadas incorrectamente. Cada puesta a tierra de alta resistencia sirve como una de las "patas" de los bucles de corriente, y a la vez representa el camino de retorno de menor potencial para las corrientes. Este potencial se convierte en el punto de referencia para medir las señales DC y AC que conducen entre diferentes puntos del circuito. Debido a la necesidad de evitar que el ruido de las puestas a tierra de alta resistencia en AC se escape, la terminal negativa del filtro de condensador adecuado sirve como punto de conexión para la puesta a tierra de alta resistencia.
La capacidad de un controlador de SMPS para regular con precisión la tensión de salida depende de la conexión de la tierra de control de bajo nivel. La conexión a tierra va unida a un punto en el que el circuito integrado de control y sus circuitos asociados miden la corriente AC, corriente DC, la tensión de salida y otros parámetros relevantes. Conectar la tierra de bajo nivel a la parte inferior del sensor de corriente o al divisor de tensión de salida evita que el circuito de control detecte ruido de modo común. El complemento PDN Analyzer de Altium Designer le brinda los mejores recursos para realizar sus análisis de corriente DC y AC del circuito.
A medida que vaya trabajando con circuitos integrados, condensadores de entrada y de salida, y diodos de salida, asegúrese de que los componentes estén conectados a un plano de tierra. Especialmente a la hora de trabajar con fuentes conmutadas, use un plano de tierra a ambos lados de la PCB y alrededor de las pistas de alta corriente. Colocar un plano de tierra a ambos lados absorbe la EMI, reduce el ruido y reduce la cantidad de errores de bucles de masa. Ademáß de funcionar como blindajes electrostáticos y como disipadores de EMI en corrientes parásitas, los planos de tierra también separan las pistas y componentes del colector de voltaje de los componentes en el plano de señales.
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Más información acerca de la tierra, el aterramiento digital y análogo para tarjetas de circuitos.
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Más información acerca de cómo crear un plano de tierra con Altium Designer
Restricciones y parámetros para diseñar un plano de tierra
El editor de esquemáticos ayuda con la disposición del filtro de EMI
Una fuente conmutada (SMPS) funciona alternando rápidamente las unidades de paso entre el estado de corte y el de saturación, y suministrando una potencia constante a una carga de salida. En el corte, existe alta tensión en la unidad de paso, pero no hay flujo de corriente. En la saturación, fluye una corriente elevada a través de la unidad de paso con una caída de tensión muy pequeña. Como el interruptor de semiconductores crea una tensión AC a partir de la tensión de entrada DC, la SMPS puede incrementar o disminuir la tensión mediante transformadores y después filtrar la tensión para convertirla en DC en la salida.
Las fuentes conmutadas con modulación de amplitud de pulsos (PWM) operan en modalidad directa o en modalidad elevadora. Las fuentes de modalidad elevadora tienen un filtro LC en la salida que crea una tensión de salida DC a partir del voltaje medio de la salida obtenida del filtro. Para controlar el voltaje medio de la señal, el controlador de fuente conmutada cambia el ciclo de operación de la tensión rectangular de entrada.
Las fuentes elevadoras conectan un inductor directamente a la fuente de voltaje de entrada cuando se activa la corriente. La corriente en el inductor se incrementa desde cero y alcanza su máximo simultáneamente con el apagado del interruptor. Un rectificador de salida restringe la tensión de salida del inductor y evita que la tensión supere la tensión de salida de la fuente. Cuando la energía almacenada en el núcleo del inductor pasa al condensador de salida, la terminal conmutada del inductor regresa al nivel de la tensión de entrada.
Los filtros de EMI dentro de laSMPS inhiben el ruido de alta frecuencia causado por las corrientes de alta frecuencia conducidas en el interior de la entrada de DC y el cableado de salida. Usted puede visualizar la disponibilidad y precios integrados de componentes junto con las fichas técnicas dentro de las bibliotecas y la Bóveda de Conocimientos de Altium para seleccionar los filtros que le den los mejores resultados.
Altium Designer también le permite seleccionar las reglas de diseño adecuadas para los filtros, de modo que la energía conmutada no se acople alrededor de los filtros con las pistas ubicadas en el otro lado del filtro.
Además de usar el editor de PCB para establecer una buena disposición, usted puede usar el editor de diagramas esquemáticos para colocar filtros de EMI cerca del punto en que la señal sale de la carcasa. Además, las buenas prácticas de disposición se combinan con la disposición sencilla del cableado y el pegado inteligente para mantener una disposición recta y un espaciado consistente en el circuito de EMI para evitar que ocurran acoplamientos inductivos entre las pistas de entrada y salida.
Altium Designer le ayuda con el enrutamiento de pistas para fuentes
Las fuentes conmutadas conducen ruido de alta frecuencia hasta que la frecuencia del ruido llega aproximadamente a 100 veces la frecuencia de conmutación. Después, la frecuencia del ruido cae a razón de -20 a -40 dB por década. Al trabajar con disposición de fuentes, es mejor que las pistas por la que fluirán corrientes conmutadas elevadas sean cortas, directas y gruesas. Los fabricantes recomiendan un grosor mínimo de 15 mm por Amperepara las pistas. Usted puede acceder muy fácilmente a los comandos de trazado de pistas mediante la Barra Activa de Altium Designer para ubicar objetos en los documentos de diagramas esquemáticos, PCB, Draftsman y de la biblioteca.
Los circuitos de las fuentes conmutadas consisten en un bucle conmutado de la fuente y en bucles en el rectificador de salida. Al diseñar la disposición de la fuente, es importante prestar mucha atención a la circunferencia de los bucles y a la longitud y ancho de las pistas. El mantener pequeña la circunferencia del bucle elimina la posibilidad de que este actúe como antena para ruidos de baja frecuencia. Desde una perspectiva de eficiencia del circuito, unas pistas más anchas también ofrecen una mejor disipación de calor para el conmutador eléctrico y los rectificadores.
Como los reguladores conmutados operan en estados "encendido" y "apagado", ocurre que fluyen pulsos de corriente de gran magnitud y con "bordes" agudos dentro del circuito de la fuente conmutada y ─como resultado─, crean EMI. Cada estado de "encendido" y "apagado" de la fuente causa que los componentes conduzcan y creen un bucle de corriente. Una buena disposición de fuentes requiere que la disposición de los bucles esté definida por las corrientes. Usted puede usar el motor de enrutamiento activo para lograr unos excelentes resultados en el trazado de pistas y disponer sus componentes de manera tal de permitir que los bucles de corriente conduzcan todos en la misma dirección. Cuando los bucles de corriente conducen en la misma dirección, el circuito de control se acopla en puntos específicos en la disposición. Como resultado, el campo magnético no se puede revertir a lo largo de las pistas ubicadas entre los dos semiciclos y acaba por irradiar EMI.
Las prestaciones que brinda la funcionalidad de trazado inteligente son ilimitadas
Ayuda con la disposición de nodos de voltaje para SMPS A
Dependiendo de la configuración de la SMPS, los nodos de tensión AC existen en el sumidero del MOSFET de la fuente o en el colector de un BJT en los ánodos de los rectificadores de salida. Cada uno de estos nodos puede tener altas tensiones de AC. Como ejemplo, la tensión AC pico a pico que se genera en las salidas MOSFET puede llegar a valer entre una y dos veces la tensión de entrada. Si se fija el sumidero a un disipador mediante un aislante, el disipador puesto a tierra suministra una ruta de salida para el ruido del acoplamiento capacitivo. Usted puede usar las herramientas de disposición de PCB de Altium Designer para ubicar las señales susceptibles del mismo lado, en lugar de ubicarlas bajo un ruidoso nodo AC. Además, usted puede entramar cualesquiera planos de tierra ubicado bajo el nodo para eliminar el ruido.
Los entornos de montaje superficial tienen menores valores de capacitancia, pero pueden introducir ruido de acoplamiento en señales delicadas. Debido a estos factores, su disposición también debe tener en cuenta la posibilidad de generar acoplamiento capacitivo de los voltajes del nodo AC en el disipador o en los plano de tierra adyacentes. Al realizar un diseño para un PCB de montaje superficial, es importante asegurarse de que los nodos sean lo suficientemente grandes como para funcionar como disipadores ya sea para la fuente o el rectificador. Algunos diseños multicapa incrementan la masa térmica del diseño haciendo que todas las capas por debajo del nodo AC sean idénticas al nodo AC y conectando las capas con agujeros perforados.
Altium Designer le permite ahorrarse complejidades
El diseño de una disposición para una fuente conmutada puede parecer complejo y a veces hasta abrumador. Altium Designer le ofrece herramientas que convierten las complejidades de las fuentes conmutadas en tareas sencillas y fáciles de entender. La estructura unificada de Altium Designer permite seleccionar la disposición correcta, aplicar un trazado de pistas eficaz y definir reglas de diseño.
- Más información acerca de las reglas de diseño basadas en diagramas esquemáticos
- Más información acerca del entorno de diseño unificado de Altium.
- Más información acerca de cómo definir nuevos posicionamientos de capas para su tarjeta.
Usar Altium Designer puede mejorar su eficiencia y evitarle esos dolores de cabeza inherentes a los enfoques de "conectar y probar" de las herramientas de CAD. Un entorno de diseño unificado con una interfaz de usuario diseñada para que los diseñadores y equipos de diseño sean más compatibles con el proceso entero de producción electrónica es realmente invaluable. Pruebe Altium Designer hoy mismo.
