Utiliser un calculateur de largeur de piste de PCB pour faciliter la conception de circuits imprimés
Les calculateurs sont d'une aide impressionnante pour vos conceptions de circuits imprimés. Alors imaginez l'intégration de ces calculs dans l'interface utilisateur de votre logiciel de conception de circuits imprimés : l’expérience devient plus que fantastique.
ALTIUM DESIGNER
Des outils logiciels de conception qui peuvent améliorer vos calculs de circuits imprimés.
Les concepteurs d'alimentations électriques comprennent les détails techniques complexes et les exigences fonctionnelles qu'implique l’implantation d'un circuit imprimé d'alimentation à découpage. L’implantation détermine les comportements fonctionnels et thermiques ainsi que les exigences en matière d'interférences électromagnétiques (EMI) pour l'alimentation. Une bonne implantation optimise l'efficacité de l'alimentation et permet d'économiser les ressources associées au blindage mécanique et aux filtres EMI. Pour le concepteur de l'alimentation, tout cela se traduit par une réduction du temps de test EMI et d’exécution de circuits imprimés.
En revanche, une mauvaise implantation amène des problèmes qui se produisent à des niveaux de courant élevés et deviennent évidents avec de grandes différences entre les tensions d'entrée et de sortie. Dans les problèmes d'alimentation courants observés avec de mauvaises implantations de PCB, on compte par exemple la perte de régulation à des courants de sortie élevés, un bruit excessif sur les formes d'onde de sortie et de commutation, et l'instabilité du circuit. Altium Designer propose des directives de conception de PCB d'alimentation qui atténuent ces problèmes parmi d'autres.
L'utilisation de ces directives facilite également l’envoi de votre produit sur le marché. Les organismes de réglementation tels que Underwriter Laboratories et la CEI testent les alimentations pour y déceler des interférences électromagnétiques (EMI), les EMI conduites, tout en vérifiant la stabilité, l'efficacité et la durée de fonctionnement. Altium Designer fournit des directives et des informations pour vous permettre de construire une conception d'alimentation à découpage (SMPS) qui passe non seulement ces tests, mais d'autres encore.
Utilisation de l'éditeur de PCB pour une largeur de piste et des lignes de transmission correctes
Utiliser les outils appropriés pour trouver l'impédance caractéristique et la longueur unitaire tout en faisant des lignes de transmission précises peut être un processus difficile. Pour cette raison, le fait de disposer d'un calculateur externe de lignes de transmission pour PCB peut vous épargner quelques tracas. Il est cependant impératif de disposer d'un outil de design capable d'utiliser correctement les règles de conception tout en plaçant systématiquement les composants de la carte pour qu’ils soient conducteurs.
La largeur des pistes a un impact direct sur la capacité de l'alimentation à minimiser le bruit. Lorsqu’un courant élevé circule dans la boucle et rencontre la résistance de la piste, une chute de tension se produit et émet du bruit RF. Par conséquent, la largeur de la piste a un impact sur la quantité de chute de tension.
L'utilisation de pistes plus larges atténue la propagation du bruit en raison de la relation inversement proportionnelle qui existe entre la largeur de la piste et l'inductance et entre la largeur de la piste et la résistance. Le bruit et le courant qui lui sont associés empruntent tout chemin à faible résistance (dans les circuits AC et DC) et tout chemin à faible impédance (dans les circuits AC) pour revenir à l'endroit d'où ils proviennent.
La relation avec l'inductance devient importante car l'inductance diminue la réponse en fréquence de la boucle. À des fréquences plus basses, la boucle devient une antenne plus efficace. Lorsque la boucle n'émet que des fréquences basses, une plus grande quantité d'énergie bruit s'échappe dans l'environnement.
En plus de maintenir une circonférence de boucle minimale et des pistes larges, vous pouvez également utiliser des condensateurs parallèles et les caractéristiques physiques de votre PCB pour diminuer la résistance en série équivalente (ESR) et l'inductance en série équivalente (ESL) du condensateur de filtrage. La mise en parallèle des condensateurs permet au condensateur de filtrage d'absorber des niveaux plus élevés de courant d'ondulation tout en minimisant la chauffe des composants. En termes d’implantation, vous devez vous assurer que les composants de la boucle et chaque condensateur ont une disposition identique et symétrique. En affinant votre montage de cette manière, vous vous assurez que les condensateurs parallèles partagent équitablement le courant et l'échauffement.
Altium Designer vous permet également d'acheminer de manière interactive les pistes et les composants afin de limiter l'augmentation des EMI. En plaçant l'inducteur à faible EMI, les condensateurs de sortie et la diode de sortie à proximité les uns des autres, vous réduisez l'inductance et la résistance des conducteurs. À son tour, la proximité de ces composants réduit les possibilités d'interférences électromagnétiques ainsi que les pics de bruit, l'oscillation et les pertes résistives qui provoquent des erreurs de tension.
UTILISER ALTIUM DESIGNER POUR DES MASSES CORRECTES
Lorsque vous concevez votre circuit d'alimentation à découpage, n'oubliez pas que cinq masses existent :
- Masse de haute intensité à l’entrée du circuit
- Boucle de masse de haute intensité à l'entrée du circuit
- Redresseur de masse de haute intensité à la sortie du circuit
- Charge de masse de haute intensité à la sortie du circuit
- Masse de contrôle de bas niveau.
Considérez toujours les masses séparément. Votre circuit d'alimentation deviendra instable si les masses sont mal connectées. Chaque masse à courant élevé sert de branche pour les boucles de courant tout en représentant le chemin de retour à plus faible potentiel pour les courants. Ce potentiel devient le point de mesure des signaux DC et AC qui circulent entre différents points du circuit. En raison de la nécessité d'empêcher le bruit des masses à courant de haute intensité de s'échapper, la borne négative du condensateur de filtrage approprié sert de point de connexion pour les masses à courant élevé.
La capacité du contrôleur du circuit d’alimentation à découpage à réguler de manière précise la tension de sortie dépend de la connexion de la masse de contrôle de bas niveau. La connexion à la masse est liée à un point où le circuit intégré de commande et ses circuits associés mesurent le courant alternatif, le courant continu, la tension de sortie et d'autres paramètres importants. Connecter la masse de bas niveau au côté inférieur de la résistance de détection de courant ou du diviseur de tension de sortie empêche le circuit de commande de détecter le bruit de mode commun. Le plug-in PDN Analyzer pour Altium Designer vous aide dans votre analyse du courant continu et de la tension du circuit.
Lorsque vous travaillez avec des circuits intégrés, des condensateurs d'entrée, des condensateurs de sortie et des diodes de sortie, assurez-vous que les composants sont connectés à un plan de masse. En particulier lorsque vous travaillez avec des alimentations à découpage. Utilisez un plan de masse des deux côtés du circuit imprimé et autour des pistes de haute intensité. Le fait de placer un plan de masse des deux côtés absorbe les EMI, réduit le bruit et diminue les erreurs de boucle de masse. Tout en servant de bouclier électrostatique et en dissipant les EMI dans les courants de Foucault, les plans de masse séparent également les pistes et les composants du plan d’alimentation des composants du plan de signal.
- En savoir plus sur la mise à la terre, la mise à la terre numérique et analogique pour les cartes de circuits imprimés.
- En savoir plus sur la création d'un plan de masse dans Altium Designer.
- En savoir plus sur les lignes de transmission dans les PCB.
Contraintes et paramètres pour l'établissement d'un plan de masse
L'éditeur de schémas aide à la conception de filtres EMI
Un circuit d’alimentation à découpage fonctionne en commutant rapidement les unités de passage entre l'état de fonctionnement de coupure et l'état de fonctionnement de saturation, et en fournissant une puissance constante à une charge de sortie. À l'état de coupure, une tension élevée existe aux bornes de l'unité de passage mais aucun courant ne circule. À la saturation, un courant élevé circule dans l'unité de passage avec une très faible chute de tension. Étant donné que le commutateur à semi-conducteurs crée une tension alternative à partir de la tension d'entrée continue, le circuit d’alimentation à découpage peut augmenter ou diminuer la tension à l'aide de transformateurs, puis filtrer la tension pour la ramener à une tension continue à la sortie.
Les alimentations à découpage à modulation de largeur d'impulsion (PWM) fonctionnent soit en mode direct, soit en mode boost. Les alimentations en mode direct ont un filtre L-C à la sortie qui crée une tension de sortie continue à partir de la moyenne volt-temps de la sortie obtenue du filtre. Pour contrôler la moyenne volt-temps du signal, le contrôleur de l'alimentation à découpage modifie le rapport cyclique de la tension rectangulaire d'entrée.
Les alimentations en mode boost connectent une inductance directement à la source de tension d'entrée lorsque l'interrupteur d'alimentation s'allume. Le courant de l'inducteur augmente à partir de zéro et atteint sa valeur maximale en même temps que l'interrupteur d'alimentation passe en mode fermé. Un redresseur de sortie bloque la tension de sortie de l'inducteur et empêche la tension de dépasser la tension de sortie de l'alimentation. Lorsque l'énergie stockée dans le noyau de l'inducteur passe dans le condensateur de sortie, le terminal commuté de l'inducteur retombe au niveau de la tension d'entrée.
Les filtres EMI de l’alimentation à découpage suppriment le bruit haute fréquence causé par les courants haute fréquence, eux-mêmes conduits par le câblage du courant continu d'entrée et de sortie. Vous pouvez trouver les prix et la disponibilité des composants intégrés ainsi que les liens vers les fiches techniques de ces derniers dans les bibliothèques et dans le coffre-fort de contenu d'Altium et y sélectionner les filtres aux meilleurs résultats.
Altium Designer vous permet également de sélectionner les règles de conception appropriées pour disposer les filtres de sorte que l'énergie de commutation ne se couple pas autour des filtres vers les pistes situées de l'autre côté du filtre.
En plus d'utiliser l'éditeur de circuits imprimés pour faire un bon montage, vous pouvez utiliser l'éditeur de schémas pour placer les filtres EMI à proximité du point où le signal sort du boîtier. Suivre les bonnes pratiques de montage et concevoir un câblage facile à utiliser permet de maintenir une disposition droite et un espacement cohérent du circuit EMI afin d'éviter le couplage inductif entre les pistes d'entrée et de sortie.
ALTIUM DESIGNER AIDE AU ROUTAGE DE L'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Les alimentations à découpage conduisent un bruit à haute fréquence jusqu'à ce que la fréquence du bruit atteigne environ 100 fois la fréquence de commutation. Ensuite, la fréquence du bruit diminue à un taux de -20 à -40 dB par décennie. Lorsque vous travaillez sur l’implantation de l'alimentation, veillez à ce que les pistes qui gèrent des courants de commutation élevés soient courtes, directes et épaisses. Les fabricants recommandent une épaisseur minimale de 15 mm par Ampère pour les pistes. Vous pouvez facilement accéder aux commandes de routage via la barre active d'Altium Designer et placer des objets dans les documents schéma, PCB, Draftsman et bibliothèque.
Les circuits d'alimentation à découpage se composent d'une boucle de commutation de puissance et de boucles de redressement de sortie. Lors de la mise en place de l'alimentation, faites attention à la circonférence des boucles ainsi qu'à la longueur et à la largeur des pistes. Si la circonférence de la boucle est réduite, la boucle ne pourra pas servir d'antenne de bruit à basse fréquence. Du point de vue de l'efficacité du circuit, les pistes plus larges fournissent également un puits de chaleur supplémentaire pour le commutateur de puissance et les redresseurs.
Comme les régulateurs à découpage fonctionnent avec des états d'alimentation "marche" et "arrêt", de grandes impulsions de courant avec des bords tranchants circulent dans le circuit d'alimentation à découpage et créent des EMI. Chaque état d'alimentation "marche" et "arrêt" provoque la conduction des composants de puissance et crée la boucle de courant. Une bonne implantation de l'alimentation électrique nécessite la mise en place des boucles définies par les courants. Vous pouvez utiliser le moteur de routage actif pour obtenir des résultats de routage humain et disposer vos composants pour que les boucles de courant de commutation conduisent dans la même direction. Lorsque les boucles de courant conduisent dans le même sens, le circuit de commande se couple à des endroits spécifiques de la disposition. Par conséquent, le champ magnétique ne peut pas s'inverser le long des pistes situées entre les deux demi-cycles et donc générer des EMI.
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Les capacités des fonctions de routage intelligent sont infinies.
Aide à la mise en page des nœuds de tension AC des circuits d’alimentation à découpage
Selon la configuration du circuit d’alimentation à découpage, les nœuds de tension alternative (AC) existent au niveau du drain du MOSFET ou du collecteur du BJT et des anodes des redresseurs de sortie. Chacun de ces nœuds peut présenter des tensions alternatives élevées. Par exemple, la tension alternative crête-à-crête trouvée au niveau du drain du MOSFET peut mesurer une à deux fois la tension d'entrée. Le drain étant fixé à un dissipateur thermique par l'intermédiaire d'un isolant, le dissipateur thermique mis à la terre fournit un chemin pour le bruit à couplage capacitif. Vous pouvez utiliser les outils d’implantation des circuits imprimés d'Altium Designer pour placer les signaux sensibles du même côté plutôt qu'en dessous d'un nœud CA bruyant. En outre, vous pouvez hachurer tous les plans de masse situés sous le nœud pour éliminer le bruit.
Les environnements de montage en surface ont des valeurs de capacité plus faibles mais peuvent coupler le bruit aux signaux sensibles. En raison de ces facteurs, votre disposition doit également tenir compte de la possibilité d'un couplage capacitif des tensions de nœud AC dans les dissipateurs thermiques ou les plans de masse adjacents. Lors de la conception d'un circuit imprimé pour montage en surface, faites en sorte que les nœuds soient suffisamment grands pour servir de dissipateurs thermiques pour l'interrupteur ou le redresseur. Certaines conceptions multicouches augmentent la masse thermique de la conception en rendant toutes les couches situées sous le nœud AC identiques au nœud AC et en reliant les couches par des trous métallisés.
Réduisez la complexité avec Altium Designer
La conception du montage d'une alimentation à découpage peut parfois sembler intimidante et accablante. Altium Designer fournit les outils qui décomposent la complexité de l'alimentation en tâches faciles à comprendre. La structure unifiée d'Altium Designer permet de sélectionner la bonne implantation, d'appliquer un routage efficace et d'établir des règles de conception.
- En savoir plus sur les règles de conception par schéma.
- Apprenez-en davantage sur l'environnement de conception unifié unique d'Altium.
- En savoir plus sur la planification d’empilage de couches.
L'utilisation d'Altium Designer peut améliorer votre efficacité et vous éviter le casse-tête des outils de CAO prêts à l'emploi. Un environnement de conception unifié dont l'interface utilisateur est conçue pour les concepteurs et les équipes de conception afin d'être plus compatible avec l'ensemble du processus de production électronique est un atout inestimable. Essayez Altium Designer dès aujourd'hui.
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