Регуляторы напряжения и планирование запаса мощности с помощью PDN Analyzer
В моём первом проекте обратноходового преобразователя мне был задан запас мощности для проектируемой функциональной части и я должен был учитывать её требования к электропитанию и используемую мной топологию. Я подумал об эффективности удаления тепла из корпуса и старался избежать использования тепловых радиаторов. Также я хотел добиться надёжности и должной глубины регулирования, чтобы регулятор продолжал работать даже когда CPU, память и другие устройства потребляли полную мощность. Я выбрал обратноходовую топологию.
В те дни инструменты моделирования не были столь элегантно интегрированы в схемотехнический инструментарий, так что я использовал подручные возможности. Я ознакомился с книгой Прессмана “Switching Power Supply Design”. Я использовал заданные требования к проектированию, например, откуда я получаю энергию и куда я ее направляю, чтобы начать свой анализ.
Выбор правильного регулятора является критически важным для топологии системы электропитания. Но с более четким пониманием того, какие программные функции и инструменты могут помочь в разработке проекта, вы сможете снять значительную нагрузку с подсистемы распределения электропитания в проекте.
Что такое регуляторы напряжения и как их использовать
Регуляторы напряжения подобны двигателям в электрическом проектировании. Они получают мощность всей энергии, доступной в вашем проекте и преобразуют её в энергию, которую может использовать функциональная часть. Для многих проектов со смешанными сигналами регуляторы обеспечивают питание CPU, памяти, микросхем управления и разных других схем, поддерживаемых устройством.
При питании сложных микросхем, таких как CPU, обычно требуется более чем один регулятор напряжения; ядра CPU, чтобы оставаться холодными, питаются небольшим напряжением, так что может потребоваться регулятор с выходным размахом 1,2 В и даже ниже. Выходные каскады CPU могут питаться от напряжения 3,3 В. Некоторые функциональные части могут требовать напряжения 5 В, другие – какого-нибудь еще.
Было время, когда приходилось ждать готового устройства, прежде чем была возможность оценить общее тепло и тепло, выделяемое регуляторами напряжения. Я помню, видел термопары, присоединяемые непосредственно к микросхемам, так что инженер мог наблюдать тепловые потери в реальном времени. Эта методика не впечатлила бы в настоящее время и не была особенно точна, но позволяла оценить диссипацию тепла в регуляторе.
Такая неточность приводила, в конце концов, к необходимости инженеров требовать от своих менеджеров приобретения дорогостоящих ИК-камер для наблюдения плотности распределения тепла на функционирующих платах, что обеспечивало более точное наблюдение тепловой картины в реальном времени.
Примерно так выглядит тепловая картинка печатной платы
В то время начали становится доступными инструменты моделирования, обеспечивающие возможность анализа в процессе технического проектирования, давая разработчику возможность визуализации тепловых уплотнений, их местоположения, предваряя даже постройку аппаратуры и её размещение на испытательном стенде. Нам всем нужно найти время для развития технологии. Как здорово будет сидеть за компьютером и наблюдать распространение токов в запитанной печатной плате?
Что нужно для проекта?
Сколько регуляторов необходимо для проекта? Если нужно спроектировать устройство со смешанными сигналами, то может потребоваться несколько регуляторов, чтобы обеспечить электропитание каждой функциональной части. Может потребоваться что-нибудь с небольшим профилем посадочного места, для минимизации фактического занимаемого платой пространства, и при этом потребоваться обеспечить достаточно плотный поток энергии к компонентам.
Многие проекты в настоящее время требуют регуляторы, которые могут питать большое количество компонентов при низком размахе напряжения питания. Хорошим кандидатом здесь будет регулятор на обратноходовом преобразователе. Регулятор на обратноходовом преобразователе является простой схемой с рядом интересных узлов, которые следует учитывать при размещении на печатной плате.
Определите правила проектирования печатной платы для подсистемы питания и шумов
В моём первом проекте я в большей степени полагался на свои знания, вспомогательную литературу и требования проекта, вместе составляющие медленный и методичный процесс. В совокупности с обширным прототипированием, я смог закончить продукт, который функционировал настолько эффективно, насколько это требовалось. Но с правильным программным обеспечением вы сможете настроить правила и ограничения, которые позволят выполнять работу намного проще. Вам нужна специальная трасса для “горячего” узла, и средства проектирования помогут вам здесь.
Ваш возвратный диод на свободном ходу будет крутиться как будто на танцах в пятницу вечером, и вам нужно дать ему место для этого. Большинство руководств по применению для обратноходовых преобразователей рекомендуют выделять для этой цели даже не трассу, а большой многоугольник. Также нужно держать чувствительные цепи подальше от “горячего” узла, для того чтобы избежать значительных выбросов в сигнальной цепи. Расположите широкие проводники на входе и выходе обратноходового регулятора, чтобы уменьшить плотность тока в соответствующих цепях.
Заставьте программное обеспечение работать на себя – не бойтесь инструментов, которые оно предлагает
Симуляция с использованием PDN Analyzer позволит лучше проработать проект
Конечно, лучшая часть изучения прошлого – это способность быть благодарным за то, что есть сейчас. С мощным программным обеспечением для проектирования печатных плат вы не просто способны не большее в проектировании – вы можете значительно упростить себе работу с помощью оптимизации использования инструментов и функциональных возможностей.
Применив симулятор нагрузки к цепям питания, вы сможете наблюдать чувствительные цепи в процессе проектирования. Расположите широкие трассы и дайте возвратному диоду достаточное пространство для рассеивания тепла, а затем запустите симуляцию, чтобы увидеть, правильно ли функционирует схема. Вы сможете не только наблюдать плотности тока и диссипацию тепла – инструмент также подскажет, как регулятор справляется с нагрузкой. Благодаря этому, Altium Designer является мощнейшим программным средством, которое даёт всё необходимое для проектирования.
Так что когда в другой раз вы будете проектировать регулятор для вашего проекта, используйте PDN Analyzer, чтобы попробовать провести свой эксперимент и убедиться в корректности результатов моделирования. И если вы хотите взять немного попкорна и услышать несколько старых историй о цепях электропитания, сядьте поближе и позвоните эксперту Altium.
