L’utilizzo di un calcolatore delle linee di trasmissione PCB rende la progettazione ancora più semplice
I calcolatori sono straordinariamente utili nei progetti di PCB; trovarli integrati nell'interfaccia utente del software di progettazione PCB è qualcosa di fantastico.
ALTIUM DESIGNER
Strumenti di progettazione capaci di potenziare i calcoli del tuo circuito.
I progettisti di alimentatori conoscono i complessi dettagli tecnici e i requisiti funzionali necessari per il layout PCB di alimentatori a commutazione, o switching. Il layout stabilisce i comportamenti funzionali e termici, nonché i requisiti d'interferenza elettromagnetica (EMI) per l'alimentatore. Un buon layout ottimizza l'efficienza dell'alimentazione e può risparmiare risorse associate alla schermatura meccanica e ai filtri EMI. Per il progettista di alimentatori, tutto ciò comporta una riduzione dei tempi di collaudo EMI e meno cicli di progettazione.
Al contrario, un layout scadente introduce problemi a livelli di corrente elevati che diventano evidenti con grandi differenze tra le tensioni d'ingresso e d'uscita. I più comuni problemi riscontrati in layout PCB mediocri includono la perdita di regolazione con corrente in uscita elevata, rumore eccessivo sull'uscita e sulle forme d'onda degli interruttori, nonché instabilità del circuito. Le linee guida di Altium Designer per il layout PCB degli alimentatori mitigano questi e altri problemi.
L'utilizzo di queste linee guida facilita inoltre la tua capacità di portare il tuo prodotto sul mercato. Enti normativi come Underwriter Laboratories e l'IEC testano l'interferenza elettromagnetica (EMI) irradiata e condotta, la stabilità, l'efficienza e la durata operativa degli alimentatori. Altium Designer fornisce l'analisi del circuito e le informazioni necessarie per creare un alimentatore a commutazione (SMPS) in grado di superare questi e altri test.
Utilizzo dell'editor PCB per stabilire la corretta larghezza della traccia e delle linee di trasmissione
Utilizzare gli strumenti adeguati per trovare l'impedenza caratteristica, l’unità di lunghezza e creare accuratamente le linee di trasmissione può essere un processo difficoltoso. Avere un calcolatore di linee di trasmissione PCB esterno può farti risparmiare qualche seccatura. Tuttavia, avere uno strumento di progettazione in grado di implementare correttamente le regole di progettazione e allo stesso tempo di posizionare sistematicamente componenti della scheda come i conduttori può essere indispensabile.
L'ampiezza delle tracce ha un impatto diretto sulla capacità dell'alimentatore di ridurre al minimo il rumore. Quando la corrente ad alta intensità scorre attraverso il circuito incontrando resistenza della pista, si verifica una caduta di tensione che irradia rumore RF. Di conseguenza, l'ampiezza della traccia influisce sull'entità della caduta di tensione.
L'utilizzo di tracce più ampie mitiga la propagazione del rumore, grazie alla relazione inversamente proporzionale che esiste tra la larghezza della traccia e l'induttanza, e tra la larghezza della traccia e la resistenza. Il rumore e la corrente a esso associata ripercorrono qualsiasi percorso a bassa resistenza (nei circuiti AC e DC) e qualsiasi percorso a bassa impedenza (nei circuiti AC) fino al punto di origine.
La relazione con l'induttanza diventa importante poiché l'induttanza abbassa la risposta in frequenza del loop. A frequenze più basse, il loop diventa un'antenna più efficiente. Dato che il loop irradia solo frequenze più basse, una certa quantità di energia fuoriesce nell'ambiente sotto forma di rumore.
Oltre a mantenere una circonferenza del loop minima e tracce ampie, è anche possibile utilizzare condensatori paralleli, nonché le caratteristiche fisiche del layout PCB, per ridurre la resistenza in serie equivalente (ESR) complessiva e l'induttanza in serie equivalente (ESL) del condensatore di filtro. I condensatori in parallelo consentono al condensatore di filtro di assorbire livelli maggiori di corrente d'ondulazione residua, riducendo al minimo il riscaldamento dei componenti. In termini di layout, è necessario assicurarsi che i componenti del circuito, così come ciascun condensatore, abbiano un layout identico e simmetrico. Questo perfezionamento del layout assicura che i condensatori paralleli condividano equamente corrente e riscaldamento.
Altium Designer consente inoltre il routing interattivo di tracce e componenti per ridurre le interferenze elettromagnetiche. Posizionando l'induttore a bassa interferenza elettromagnetica, i condensatori di uscita e il diodo di uscita l'uno vicino all'altro, si riduce l'induttanza e la resistenza dei lead. A sua volta, la vicinanza di tali componenti riduce le opportunità per le interferenze elettromagnetiche d'irradiarsi insieme ai picchi di rumore, ai ronzii e alle perdite resistive che causano errori di tensione.
USA ALTIUM DESIGNER PER LE MASSE (GROUND)
Quando progetti il tuo circuito per alimentatore switching, ricorda che esistono cinque masse, o ground. Queste sono:
- Generatore di corrente ad alta intensità in entrata
- Loop di corrente a corrente elevata in entrata
- Raddrizzatore a corrente elevata in uscita
- Elevata corrente di carico in uscita
- Piano di massa inferiore
Considera sempre i ground (GND) separatamente. Il tuo circuito di alimentazione diventerà instabile se le masse sono collegate in modo errato. Ogni massa ad alta intensità di corrente funge da supporto ai loop di corrente, creando inoltre il percorso di ritorno a potenziale più basso per le correnti. Questo potenziale diventa il punto per misurare i segnali DC e AC che conducono tra i diversi punti del circuito. Dovendo impedire la fuoriuscita di rumore dalla massa CA ad alta intensità, il terminale negativo del condensatore di filtro appropriato funge da punto di connessione per le masse a corrente elevata.
La capacità del controller SMPS di regolare con precisione la tensione in uscita dipende dal collegamento della massa nel livello inferiore. La massa si collega a un punto in cui il circuito integrato di controllo e il relativo circuito misurano la corrente alternata, la corrente continua, la tensione in uscita e altri parametri fondamentali. Connettere il piano di massa inferiore con la parte inferiore del resistore o col partitore di tensione in uscita, previene la percezione del rumore da parte del circuito di controllo. Il plug-in PDN Analyzer di Altium Designer fornisce le migliori risorse per l'analisi della corrente continua e della tensione del circuito.
Mentre lavori con circuiti integrati, condensatori d'ingresso, condensatori e diodi d'uscita, PND Analyzer si assicura che i tuoi componenti si colleghino a un piano di massa. Soprattutto quando si lavora con alimentatori a commutazione, è bene utilizzare un piano di massa su entrambi i lati del PCB e attorno alle tracce ad alta intensità di corrente. Il posizionamento di un piano di massa su entrambi i lati assorbe le interferenze elettromagnetiche irradiate, riduce il rumore e gli errori del loop di massa. Non solo agiscono come schermi elettrostatici dissipando le interferenze elettromagnetiche irradiate all'interno delle correnti parassite, i piani di massa separano anche le tracce di potenza e i componenti del piano di potenza dai componenti del piano di segnale.
- Scopri di più sulla massa, e la messa a terra digitale e analogica dei circuiti stampati.
- Scopri come creare un piano di massa con Altium Designer.
- Scopri di più sul ritardo di trasmissione sui circuiti stampati.
Assistenza dell'Editor di schema con il layout del filtro EMI
Un alimentatore SMPS opera alternando rapidamente i transistori di potenza fra gli stati d'interdizione e saturazione, e fornendo potenza costante al carico in uscita. Durante l'interdizione, alta tensione è presente nei transitori di potenza, ma non vi scorre corrente. Durante la saturazione, corrente ad alta intensità scorre attraverso i transitori di potenza con una caduta di tensione minimale. Poiché l'interruttore a semiconduttore converte il segnale d'ingresso da CC a AC, l'SMPS può usare i trasformatori per aumentare o diminuire la tensione, e quindi filtrare la tensione in CC all'uscita.
Gli alimentatori switching a modulazione di larghezza d'impulso (PWM) funzionano in modalità forward o boost. Gli alimentatori forward hanno un filtro LC all'uscita che crea una tensione CC in uscita a partire dalla media volt-tempo dell'energia in uscita dal filtro. Per controllare la media volt-tempo del segnale, il controller dell'alimentatore a commutazione modifica il duty cycle della tensione rettangolare in ingresso.
Gli alimentatori in modalità Boost collegano un induttore direttamente attraverso la sorgente di tensione in ingresso quando l'interruttore di alimentazione è aperto. La corrente dell'induttore aumenta a partire da zero, raggiungendo il suo picco contemporaneamente alla chiusura dell'interruttore di alimentazione. Un raddrizzatore d'uscita blocca la tensione d'uscita dell'induttore, impedendo che la tensione superi la tensione d'uscita dell'alimentazione. Quando l'energia immagazzinata nel nucleo dell'induttore passa al condensatore d'uscita, il terminale commutato dell'induttore scende a livello della tensione d'ingresso.
I filtri EMI all'interno dell'SMPS sopprimono il rumore causato dalle correnti ad alta frequenza condotte all'interno del cablaggio d'ingresso e uscita CC. È possibile consultare il listino prezzi, verificare la disponibilità dei componenti e i collegamenti ai fogli dati presenti nelle librerie e in Altium Content Vault per selezionare i filtri con le migliori prestazioni.
Altium Designer consente inoltre di selezionare le giuste regole di progettazione, per disporre i filtri in modo che l'energia di commutazione intorno ad essi non si accoppi alle tracce situate sull'altro lato del filtro.
Oltre a utilizzare l'Editor PCB per determinare un buon layout, è possibile utilizzare l'Editor di schema per posizionare i filtri EMI vicino al punto in cui il segnale esce dalla custodia. Inoltre, buone pratiche di layout, combinate a un cablaggio intuitivo e alla funzionalità Smart Paste, permetteranno di portare a termine un layout pulito e mantenere una spaziatura costante del circuito EMI per impedire l'accoppiamento induttivo delle tracce d'ingresso e d'uscita.
ALTIUM DESIGNER TI ASSISTE DURANTE IL ROUTING DELL'ALIMENTATORE
Gli alimentatori switching conducono il rumore ad alta frequenza fino a quando la frequenza del rumore raggiunge circa 100 volte la frequenza di commutazione. A quel punto, la frequenza del rumore scende a una velocità compresa tra i -20 e i -40 dB ogni decina. Quando lavori sul layout di un alimentatore, assicurati che le tracce a corrente alternata siano brevi, dirette e spesse. Per queste tracce, i produttori raccomandano uno spessore minimo di 15 mils per Ampere. È possibile accedere facilmente ai comandi di routing tramite l'Active Bar di Altium Designer e posizionare oggetti nello schema, nell'editor PCB, in Draftsman e nei documenti della libreria.
I circuiti di alimentazione a commutazione sono costituiti da un anello di commutazione dell'alimentazione e anelli raddrizzatori d'uscita. Durante la progettazione dell'alimentatore, presta particolare attenzione alla circonferenza dei loop e alla lunghezza e spessore delle tracce. Mantenere una circonferenza contenuta, elimina la possibilità che il loop diventi un'antenna per i rumori a bassa frequenza. Dal punto di vista dell'efficienza del circuito, tracce più ampie forniscono un ulteriore dissipatore di calore per l'interruttore d'alimentazione e i raddrizzatori.
Poiché i regolatori a commutazione lavorano alternando stati on/off, grandi impulsi di corrente passano attraverso l'alimentatore a commutazione creando interferenze elettromagnetiche. Ciascuno stato di alimentazione "aperto" e "chiuso" fa sì che i componenti di alimentazione conducano e creino il loop di corrente. Un buon layout per gli alimentatori switching include un layout dei loop stabilito dalle correnti. È possibile utilizzare il motore di routing attivo delle tracce per ottenere risultati precisi come in un routing manuale, nonché disporre i componenti in modo che i loop di commutazione conducano nella stessa direzione. Con i loop di corrente che conducono nella stessa direzione, il circuito di controllo si accoppia a punti specifici nel layout. Di conseguenza, il campo magnetico non può invertirsi lungo le tracce situate tra i due semicicli e quindi generare interferenze elettromagnetiche irradiate.
- Scopri come ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche nei sistemi di comunicazione.
- Scopri ulteriori tecniche per ridurre le interferenze elettromagnetiche nel layout.
- Leggi di più sull'utilizzo dei componenti adeguati per ridurre le interferenze elettromagnetiche
Guida al layout con i nodi di tensione CA negli alimentatori a commutazione (SMPS)
A seconda della configurazione dell'alimentatore a commutazione, i nodi di tensione AC esistono al drain del transitor MOSFET di potenza, o al collettore di un BJT e agli anodi dei raddrizzatori di uscita. Ciascuno di questi nodi può avere tensioni CA elevate. Ad esempio, la tensione CA picco-picco rilevata al drain del MOSFET può misurare da una a due volte la tensione d'ingresso. Con il drain imbullonato a un dissipatore di calore tramite un isolante, il dissipatore di calore con messa a terra fornisce un percorso per il rumore generato dall'accoppiamento capacitivo. È possibile utilizzare gli strumenti di layout PCB presenti in Altium Designer per posizionare i segnali sensibili sullo stesso lato anziché sotto un nodo CA rumoroso. Inoltre, puoi eseguire la schermatura a tratteggio incrociato (cross-hatch) su qualsiasi piano di terra situato sotto il nodo per eliminare il rumore.
Gli ambienti a montaggio superficiale hanno valori di capacità inferiori, ma possono accoppiare il rumore in segnali sensibili. A causa di questi fattori, il layout deve tenere in considerazione la possibilità di accoppiamento capacitivo delle tensioni del nodo CA nei dissipatori di calore o nei piani di massa adiacenti. Quando si predispone il layout di un progetto PCB a montaggio superficiale, è necessario creare nodi sufficientemente grandi da fungere da dissipatori di calore per l'interruttore di alimentazione o il raddrizzatore. Alcuni progetti multistrato aumentano la massa termica del progetto rendendo tutti gli strati sotto il nodo CA identici al nodo CA e collegando gli strati con fori passanti placcati.
ALTIUM DESIGNER TI PERMETTE DI MINIMIZZARE LE COMPLESSITÀ
Progettare il layout per un alimentatore a commutazione può sembrare a volte scoraggiante e una sfida quasi insormontabile. Altium Designer ti fornisce gli strumenti necessari per suddividere la complessità dell'alimentatore in compiti facilmente attuabili. La struttura unificata di Altium Designer ti consente di selezionare il layout corretto, di applicare un routing efficace e di stabilire regole di progettazione.
- Scopri di più sulla progettazione guidata da un motore di regole di progettazione.
- Scopri di più sull'ambiente di progettazione unificato di Altium.
- Scopri di più sulla creazione di nuovi layer stack-up per la tua scheda.
L'utilizzo di Altium Designer può ottimizzare la tua efficienza ed eliminare tanti dei grattacapi dati dagli strumenti CAD plug-and-practice. Lavorare all'interno di un ambiente di progettazione unificato, con un'interfaccia utente creata per consentire ai progettisti e ai team di progettazione di essere il più compatibile possibile con l'intero processo di produzione elettronica, è un vantaggio inestimabile. Prova subito Altium Designer.
SCOPRI DI PIù
Come progettare e realizzare uno stack-up PCB a 4 Layer con Altium Designer. Progetta lo stack-up PCB a 4 Layer più adatto alle tue esigenze con il gestore di Layer stack di Altium Designer e il pacchetto completo di funzionalità CAD.
Ottimizza la tua efficienza nella progettazione PCB con Altium Designer. Usa i modelli di progetto nel tuo processo di progettazione PCB per facilitare le progettazioni future.
Strumenti di progettazione PCB ottimizzati con un avanzato editor di file Gerber gratuito. Per assicurare il successo durante la produzione del tuo progetto PCB, hai bisogno dei più recenti formati Gerber X2 disponili nell'editor di file Gerber gratuito tra i tuoi strumenti di progettazione PCB.
Come costruire un circuito stampato con il programma di progettazione PCB di Altium. Una volta appreso come costruire un circuito stampato, potrai mettere in pratica le tue conoscenze con Altium Designer.
La conformità alla normativa RoHS senza piombo deve essere monitorabile da te e dal tuo software di progettazione. La conformità senza piombo RoHS nelle schede dei circuiti è un fattore fondamentale da considerare, e il tuo programma
