EMC a napájecí zdroje

EMC a napájecí zdroje

 Usměrňovač s filtrem  Analogový (lineární) stabilizátor  Spínané zdroje  Step Down  Step Up  Propojení zdroj – spotřebič

EMC a napájecí zdroje Usměrňovač s filtrem • Plochy proudových smyček • Vypínač a vstupní svorky • Izolační vzdálenosti • Layout Cn

EMC a napájecí zdroje Analogový stabilizátor • Vstupní kondenzátory • Ochranná dioda • Výstupní kondenzátory • Layout - společný vodič

EMC a napájecí zdroje Spínané zdroje • Plochy proudových smyček • Výstupní napětí ze svorek kondenzátoru (LOW ESR) • Izolační vzdálenosti primár-sekundár • Layout společného vodiče – proudy • Layout vodičů indukčnosti – napětí • Layout Sense • !!! Ne vždy jsou doporučené layouty z pdf o součástkách správně !!!

Vít Záhlava

Návrh DPS a EMC – spínané stabilizátory

Princip činnosti „Step Down“ zdroje

STATICKY: +10V

U1

Řídicí obvod

C1

L1

SW

Vin

SW ON

+3,3V

+10V

FB

D1

C2

U2

GND

+10V Vin

SW OFF U1

C1

+3,3V

-0,5V L1

SW Řídicí obvod

GND

FB

D1

C2

U2

Vít Záhlava


Princip činnosti „Step Down“ zdroje -0,5V +10V 10ns

DYNAMICKY: +10V

SW U1 ON OFF

Řídicí obvod

C1

FB

D1

C2

U2

GND

+10V -0,5V 10ns

+10V Vin

SW U1 OFF ON

L1

SW

Vin

+3,3V

C1

L1

SW Řídicí obvod

GND

FB

+3,3V

D1

C2

U2

Vít Záhlava


Pravidla pro návrh DPS „Step Down“ zdroje žádné citlivé signálové spoje v okolí (např. FB)

velké dU/dt ≈1000V/1µs

výstupní svorka U2 a FB co nejblíže C2

+3,3V

+10V

U1

C1

L1

SW

Vin Řídicí obvod

FB

D1

C2

U2

GND

minimalizace parazitních indukčností a ploch proudových smyček

velké dI/dt ≈100A/1µs

Indukčnost vodiče 10nH/cm

1cm ≈ 1V !!!!

Vít Záhlava


Pravidla pro návrh DPS „Step Down“ zdroje GND Řídicí obvod

SW

Vin

+10V U1

FB

D1 C1 C2

L1

+3,3V U2

 Minimální plochy proudových smyček C1-L1-C2 a D1-L1-C2  Minimální délka (a indukčnost) GND spoje mezi C1-D1-C2 Žádné citlivé spoje v okolí uzlu SW-L1-D1 GND a FB integrovaného obvodu zapojit mezi C2 a výstupní svorky (zátěž)

Vít Záhlava


Příklad „Step Down“ zdroje a doporučení layoutu DPS Ne vždy jsou doporučení výrobce optimálni !!!

L1 C1

D1 C2

Obvodově správné, ale graficky nevhodné schéma:  Optický dojem výstupního napětí z pinu BD nebo L1 (správně má být výstup z C2)  Není zdůrazněna důležitost GND větve mezi C2 a D1  Nevhodné místo zapojení FB resp. R 316kOhm (ne mezi L1 a C2)  Nevhodné grafické zpracování GND mezi C1 a C2

Vít Záhlava


Příklad „Step Down“ zdroje a doporučení layoutu DPS Ne vždy jsou doporučení výrobce optimálni !!! L1 C1

D1 C2

Ne příliš optimální layout DPS:  Velké plochy proudových smyček  Dlouhá cesta GND spoje mezi C2, C1 a D1  Nevhodný bod připojení GND integr. obvodu Konfigurace bude funkční za předpokladu posílení GND pomocí matice prokovů a přídavných ploch ve více vrstvách DPS = neúsporný layout

Vít Záhlava



D1

Návrh dle doporučení výrobce C2

Vlastní návrh

Vít Záhlava



D1 C2

D1 L1

C1 Ne příliš optimální layout DPS:  Velké plochy proudových smyček  Rozvětvení GND cesty C2–D1 a C1–C2  Dlouhá cesta GND spoje mezi C2, C1 a D1  Nevhodný bod připojení GND integr. obvodu Konfigurace bude funkční za předpokladu posílení GND pomocí matice prokovů a přídavných ploch ve více vrstvách DPS = neúsporný layout

C2

Vít Záhlava


Měření „Step Down“ zdroje – neoptimální layout Výstupní napětí U2 blíže k L1 než C2

Dlouhá cesta GND mezi C1 a C2

+10V U1

C1

L1

SW

Vin Řídicí obvod

FB

D1

+3,3V C2

U2

GND

Dlouhá cesta GND mezi C1 a C2

Dlouhá cesta GND mezi D1 a C2

Vít Záhlava


Měření „Step Down“ zdroje – optimální layout GND Řídicí obvod

SW

Vin

+10V U1

FB

D1 C1 C2

L1

+3,3V U2

Vít Záhlava


Měření „Step Down“ zdroje – porovnání ŠPATNĚ

SPRÁVNĚ

SPRÁVNĚ

ŠPATNĚ

U1

U2

UC2-C1

UC2-D1

Vít Záhlava


Princip činnosti „Step Up“ zdroje

ON

UDD

OFF

UDD

– LZ

LZ Řídicí a regulační obvod

Q

Řídicí a regulační obvod

U Lz   LZ 

+

Q

 Řídicí obvod cyklicky zapíná a vypíná tranzistor Q  Je-li Q sepnutý, protéká proud indukčností LZ  Při vypínání proudu (di/dt) na indukčnosti vznikne překmit napětí ULz

di dt

Vít Záhlava



ON

OFF

UDD

UDD

– LZ

LZ Řídicí a regulační obvod

Q

D C

Řídicí a regulační obvod

U Lz   LZ 

+ D

Q

C

di dt

U2 > UDD

 Překmit napětí ULz se usměrní přes D do C  Na kondenzátoru C tak může být akumulováno napětí U2 v řádu stovek až tisíců voltů

Vít Záhlava



STATICKY:

2

SHDN

47uF/6.3V

+12V 3

C2 10uF/16V

R1 33k

1

2

LT1935

FB

12V

DFLS240L

1

1 SW

VIN

1

2

4

C1

U1

GND

5

1

+3,3V

D1

2

10uH

3.3V

U1

2

1

1

0V

2

L1

SW ON

2

R2 3.9k

U2

Vít Záhlava



STATICKY:

2

SHDN

47uF/6.3V

+12V 3

C2 10uF/16V

R1 33k

1

2

LT1935

FB

12V

DFLS240L

1

1 SW

VIN

1

2

4

C1

U1

GND

5

1

+3,3V

D1

2

10uH

3.3V

U1

2

1

1

+12V

2

L1

SW OFF

2

R2 3.9k

U2

Vít Záhlava



DYNAMICKY:

+12V 0V 10ns

47uF/6.3V

C2 10uF/16V

R1 33k

1

2

LT1935

3

1

1 SW

SHDN

FB

12V

DFLS240L

2

2

VIN

1

1

4

C1

U1

GND

1

5

D1

2

10uH

3.3V

U1

2

2

L1

1

2

SW ON OFF

R2 3.9k

U2

Vít Záhlava


Princip činnosti „Step Up“ zdroje +12V 10ns

2

SHDN

47uF/6.3V

3

C2 10uF/16V

R1 33k

1

2

LT1935

FB

12V

DFLS240L

1

1 SW

VIN

1

2

4

C1

U1

GND

1

5

D1

2

10uH

3.3V

U1

2

1

L1

1

0V

2

DYNAMICKY:

2

SW OFF ON

R2 3.9k

U2

Vít Záhlava


Pravidla pro návrh DPS „Step Down“ zdroje velké dU/dt ≈1000V/1µs

2

1 SW

VIN SHDN

47uF/6.3V

FB

12V

3

C2 10uF/16V

1

4

C1

U1

1

DFLS240L

GND

1

5

D1

2

10uH

3.3V

U1

2

1

L1

1

výstupní svorka U2 a FB co nejblíže C2

2

žádné citlivé signálové spoje v okolí (např. FB)

U2

1

2

2

LT1935

R1 33k

minimalizace parazitních indukčností a ploch proudových smyček

velké dI/dt ≈100A/1µs

Indukčnost vodiče 10nH/cm

2

R2 3.9k

1cm ≈ 1V !!!!


2

1

SHDN

47uF/6.3V

FB

3

10uF/16V

R1 33k

1

2

LT1935

C2 1

C1

VIN

12V

DFLS240L

2

4

U1

1

1

5

SW

3.3V

D1

2

10uH

1

Pravidla pro návrh DPS „Step Down“ zdroje

2

2

L1

1

GND

Vít Záhlava

2

R2 3.9k

 Minimální plochy proudových smyček C1-L1-U1 a C1-L1-D1-C2  Minimální délka (a indukčnost) GND spoje mezi C1-U1-C2 Žádné citlivé spoje v okolí uzlu L1-SW-D1 FB integrovaného obvodu zapojit mezi C2 a výstupní svorky (zátěž)

Vít Záhlava


Propojení zdroj – spotřebič (spínaný ) stabilizátor

přívod 1V

jádro MCU 1V +/-50mV, 1A

GND plocha

a) Odpor 10cm vodiče na DPS o šířce 1mm a tloušťce 42um: R   

l l     17 ,8 . 10 S t w

9



0 .1 42 . 10  6  1 . 10

3

 42 m 

b) Odpor 10cm “nekonečné plochy” na DPS o tloušťce 42um: 17 ,8 .10 - 9 0 .1  d  ln     ln  1 m  R  -6 -3 r  t 0 ,5 .10   3 ,14  42 .10

Vít Záhlava




přívod 1V GND plocha

a) Odpor 10cm vodiče na DPS o šířce 1mm a tloušťce 42um: R   

l l     17 ,8 . 10 S t w

9



0 .1 42 . 10  6  1 . 10

Neplatí pro porézní měď na DPS

=>

3

 42 m 

reálně cca 100mΩ


Konečná plocha + porézní měď na DPS => reálně cca 10mΩ

Vít Záhlava




přívod 1V



GND plocha

100mΩ @ 1A => 100mV a) Odpor 10cm vodiče na DPS o šířce 1mm a tloušťce 42um: R   

l l     17 ,8 . 10 S t w

9



0 .1 42 . 10  6  1 . 10

Neplatí pro porézní měď na DPS

=>

3

 42 m 

reálně cca 100mΩ


Konečná plocha + porézní měď na DPS => reálně cca 10mΩ

Vít Záhlava



přívod 1V


GND plocha

Přívod napájení PLOCHOU (ne vodičem) a) Odpor 10cm vodiče na DPS o šířce 1mm a tloušťce 42um:

Reálně cca 100mΩ

b) Odpor 10cm “nekonečné plochy” na DPS o tloušťce 42um: Reálně cca 10mΩ

KRÁTKÁ vzdálenost zdroj-spotřebič Přívod napájení se chová jako „anténa“ pro příjem/vyzařování rušení

Vít Záhlava


Propojení zdroj – spotřebič (velké proudy)

Zpětná vazba regulace napětí napájení zdroj

spotřebič

ŠPATNĚ GND plocha

napájení zdroj

SPRÁVNĚ GND plocha

spotřebič

EMC a napájecí zdroje – zdroje a literatura

 Záhlava, V. : Návrh a konstrukce desek plošných spojů, BEN, Praha 2011  Katalogové listy součástek

EMC a napájecí zdroje

Recommend Documents