स्विच मोड बिजली की आपूर्ति सर्किट के लिए Pcb लेआउट डिजाइन दिशानिर्देश

स्विचिंग बिजली की आपूर्ति बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स में एक व्यापक रूप से इस्तेमाल बिजली की आपूर्ति टोपोलॉजी है। चाहे वह एक जटिल सीएनसी मशीन या एक कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रॉनिक उपकरण हो सकता है, जब तक कि डिवाइस किसी प्रकार की बिजली आपूर्ति से जुड़ा हो एसएमपीएस सर्किट हमेशा अनिवार्य होता है। अनुचित या दोषपूर्ण बिजली की आपूर्ति इकाई उत्पाद की एक बड़ी विफलता के बावजूद हो सकती है चाहे सर्किट कितनी अच्छी तरह से डिजाइन और कार्यात्मक हो। हमने पहले से ही 12 वी 1 ए एसएमपीएस और 5 वी 2 ए एसएमपीएस जैसे पावर इंटीग्रेशन और वाइपर कंट्रोलर आईसी का उपयोग करते हुए पहले से ही कुछ एसएमपीएस पावर सप्लाई सर्किट डिजाइन किए हैं।

हर स्विचिंग बिजली की आपूर्ति एक MOSFET या एक बिजली ट्रांजिस्टर की तरह स्विच का उपयोग करती है जो स्विचिंग ड्राइवर विनिर्देश के आधार पर लगातार चालू या बंद हो जाती है। इस ON और OFF राज्य की स्विचिंग आवृत्ति कुछ सौ किलोहर्ट्ज़ से लेकर मेगाहर्ट्ज़ रेंज तक होती है। इस तरह के एक उच्च आवृत्ति स्विचिंग मॉड्यूल में, पीसीबी डिजाइन रणनीति कहीं अधिक आवश्यक है और यह कभी-कभी डिजाइनर द्वारा अनदेखी की जाती है। उदाहरण के लिए, एक खराब पीसीबी डिजाइन पूरे सर्किट की विफलता के साथ-साथ अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए पीसीबी कई अप्रिय घटनाओं को हल कर सकता है।

अंगूठे के एक सामान्य नियम के रूप में, यह ट्यूटोरियल महत्वपूर्ण पीसीबी डिजाइन लेआउट दिशानिर्देशों के कुछ विस्तृत पहलुओं को प्रदान करेगा जो किसी भी प्रकार के स्विच-मोड बिजली आपूर्ति आधारित पीसीबी डिजाइन के लिए आवश्यक हैं। आप एसएमपीएस सर्किट में ईएमआई रिडक्शन के लिए डिजाइन तकनीकों की भी जांच कर सकते हैं।

पहली बात, स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति को डिजाइन करने के लिए, किसी को सर्किटरी आवश्यकता और विशिष्टताओं का स्पष्ट संकेत होना चाहिए। बिजली की आपूर्ति के चार महत्वपूर्ण हिस्से हैं।

इनपुट और आउटपुट फ़िल्टर।
ड्राइवर सर्किटरी और चालक के लिए संबद्ध घटक विशेष रूप से सर्किट को नियंत्रित करते हैं।
स्विचिंग इंडिकेटर्स या ट्रांसफॉर्मर
आउटपुट ब्रिज और संबंधित फ़िल्टर।

एक पीसीबी डिजाइन में, इन सभी खंडों को पीसीबी में अलग करने की आवश्यकता होती है और विशेष ध्यान देने की आवश्यकता होती है। हम इस लेख में प्रत्येक खंड पर विस्तार से चर्चा करेंगे।

इनपुट और एसोसिएटेड फिल्टर के लिए दिशानिर्देश

इनपुट और फ़िल्टर सेक्शन वह जगह है जहाँ शोर या अनियमित आपूर्ति लाइनें सर्किट में जुड़ जाती हैं। इसलिए, इनपुट फ़िल्टर कैपेसिटर को इनपुट कनेक्टर और ड्राइवर सर्किट से समान दूरी पर स्थित होना चाहिए। ड्राइवर सर्किट के साथ इनपुट अनुभाग को जोड़ने के लिए हमेशा कम लंबाई के कनेक्शन का उपयोग करना आवश्यक है।

उपरोक्त छवि में हाइलाइट किए गए अनुभाग फ़िल्टर कैपेसिटर के करीबी प्लेसमेंट का प्रतिनिधित्व कर रहे हैं ।

चालक सर्किटरी और नियंत्रण सर्किट के लिए दिशानिर्देश

ड्राइवर में मुख्य रूप से एक आंतरिक MOSFET होता है या कभी-कभी स्विचिंग MOSFET बाहरी रूप से जुड़ा होता है। स्विचिंग लाइन हमेशा चालू हो जाती है और बहुत उच्च आवृत्ति में बंद हो जाती है और बहुत शोर आपूर्ति लाइन बनाती है । इस हिस्से को हमेशा अन्य सभी कनेक्शनों से अलग होना चाहिए।

उदाहरण के लिए, उच्च वोल्टेज डीसी लाइन जो सीधे ट्रांसफॉर्मर (फ्लाईबैक एसएमपीएस के लिए) या डीसी लाइन पर जा रही है जो सीधे बिजली प्रारंभ करनेवाला (बक या बूस्ट टोपोलॉजी-आधारित स्विचिंग नियामकों) में जाती है, को अलग किया जाना चाहिए।

नीचे की छवि में, हाइलाइट किया गया संकेत उच्च वोल्टेज डीसी लाइन है। सिग्नल को इस तरह से रूट किया जाता है कि वह दूसरे सिग्नल से अलग हो जाए।

स्विच-मोड पावर सप्लाई डिज़ाइन में सबसे नीरव लाइनों में से एक ड्रायवर का ड्रेन पिन है, चाहे वह एसी टू डीसी फ्लाईबैक डिज़ाइन हो या यह हिरन, बूस्ट या बक-बूस्ट टोपोलॉजी-आधारित लो पावर स्विचिंग पावर सप्लाई हो सकता है डिज़ाइन। इसे हमेशा अन्य सभी कनेक्शनों से अलग करने की आवश्यकता होती है और साथ ही बहुत कम होने की आवश्यकता होती है क्योंकि इस प्रकार की रूटिंग आमतौर पर बहुत उच्च-आवृत्ति संकेतों को वहन करती है। इस सिग्नल लाइन को दूसरों से अलग करने का सबसे अच्छा तरीका है कि आप मिलिंग या आयाम परतों का उपयोग करके पीसीबी कटआउट का उपयोग करें।

नीचे की छवि में, एक अलग ड्रेन पिन कनेक्शन दिखाया गया है जिसमें ऑप्टो-कपलर से एक सुरक्षित दूरी है और साथ ही पीसीबी कट आउट अन्य रूटिंग या सिग्नल से किसी भी हस्तक्षेप को हटा देगा।

एक अन्य महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि एक ड्राइवर सर्किट में लगभग हमेशा प्रतिक्रिया या संवेदी रेखा होती है (एक से अधिक बार जैसे इनपुट वोल्टेज सेंस लाइन, आउटपुट सेंस लाइन) जो बहुत संवेदनशील होती है और चालक का ऑपरेशन पूरी तरह से प्रतिक्रिया संवेदन द्वारा निर्भर होता है। शोर युग्मन से बचने के लिए किसी भी तरह की प्रतिक्रिया या अर्थ लाइन की लंबाई कम होनी चाहिए । इस प्रकार की लाइनों को हमेशा पावर, स्विचिंग या किसी अन्य शोर लाइनों से अलग करने की आवश्यकता होती है।

नीचे दी गई छवि ऑप्टोकॉपलर से ड्राइवर के लिए एक अलग फीडबैक लाइन दिखा रही है।

इतना ही नहीं, लेकिन एक ड्राइवर सर्किट में कई प्रकार के घटक भी हो सकते हैं जैसे कि कैपेसिटर, आरसी फ़िल्टर जो ड्राइवर सर्किट ऑपरेशन को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक होते हैं। उन घटकों को चालक के पार रखा जाना चाहिए ।

स्विचिंग संकेतक और ट्रांसफॉर्मर के लिए दिशानिर्देश

भारी संधारित्र के बाद किसी भी बिजली आपूर्ति बोर्ड में स्विचिंग इंडक्टर सबसे बड़ा उपलब्ध घटक है। एक बुरा डिजाइन इंडक्टर लीड के बीच किसी भी तरह के कनेक्शन को रूट करने के लिए है। यह आवश्यक है कि शक्तियों या फ़िल्टर प्रारंभकर्ता पैड के बीच किसी भी सिग्नल को न लगाया जाए ।

इसके अलावा, जब भी ट्रांसफार्मर का उपयोग बिजली की आपूर्ति में किया जाता है, विशेष रूप से एसी-डीसी एसएमपीएस में, इस ट्रांसफार्मर का मुख्य उपयोग आउटपुट के साथ इनपुट को अलग करना है। प्राथमिक और माध्यमिक पैड के बीच पर्याप्त दूरी की आवश्यकता होती है । क्रीप को बढ़ाने का एक सबसे अच्छा तरीका है कि एक मिलिंग परत का उपयोग करके पीसीबी कटऑफ को लागू करना। ट्रांसफॉर्मर लीड्स के बीच कभी भी किसी तरह की रूटिंग का इस्तेमाल न करें।

आउटपुट ब्रिज और फ़िल्टर सेक्शन के लिए दिशानिर्देश

आउटपुट ब्रिज एक उच्च धारा वाला Schottky डायोड है जो लोड करंट के आधार पर गर्मी को नष्ट करता है। कुछ मामलों में, पीसीबी हीट सिंक की आवश्यकता होती है, जिसे कॉपर प्लेन का उपयोग करके पीसीबी में ही बनाने की आवश्यकता होती है। हीट सिंक दक्षता पीसीबी कॉपर क्षेत्र और मोटाई के लिए आनुपातिक है।

पीसीबी में आमतौर पर दो प्रकार की मोटाई उपलब्ध होती है, 35 माइक्रोन और 70 माइक्रोन। उच्च मोटाई है, बेहतर थर्मल कनेक्टिविटी और पीसीबी हीट सिंक क्षेत्र संक्षिप्त कर दिया। यदि पीसीबी एक डबल लेयर है और गर्म स्थान पीसीबी में कुछ हद तक उपलब्ध नहीं है, तो कोई कॉपर प्लेन के दोनों किनारों का उपयोग कर सकता है और कॉमन वायस का उपयोग करके उन दोनों पक्षों को जोड़ सकता है।

नीचे की छवि एक स्कूटी डायोड के पीसीबी हीटसिंक का एक उदाहरण है जो नीचे की परत में बनाई गई है।

Schottky डायोड के ठीक बाद के फिल्टर संधारित्र को ट्रांसफार्मर या स्विचिंग इनवर्टर के बहुत करीब रखा जाना चाहिए , ताकि इंडक्टर, ब्रिज डायोड और कैपेसिटर के माध्यम से सप्लाई लूप बहुत कम हो जाए । ऐसे में आउटपुट रिपल को कम किया जा सकता है।

उपरोक्त छवि ट्रांसफार्मर आउटपुट से पुल डायोड और फिल्टर कैपेसिटर तक एक संक्षिप्त लूप का एक उदाहरण है।

SMPS PCB लेआउट के लिए ग्राउंड बाउंस को कम करना

सबसे पहले, जमीन भरना आवश्यक है और बिजली आपूर्ति सर्किट में विभिन्न जमीन के विमानों को अलग करना एक और सबसे महत्वपूर्ण बात है।

सर्किट्री दृष्टिकोण से, एक स्विचिंग बिजली की आपूर्ति में सभी घटकों के लिए एक समान जमीन हो सकती है लेकिन पीसीबी डिजाइन चरण के दौरान ऐसा नहीं है। पीसीबी डिजाइन के दृष्टिकोण के अनुसार, जमीन को दो भागों में विभाजित किया गया है। पहला भाग पावर ग्राउंड है और दूसरा भाग एनालॉग या कंट्रोल ग्राउंड है। इन दोनों आधारों का एक ही संबंध है लेकिन एक बड़ा अंतर है। एनालॉग या कंट्रोल ग्राउंड का उपयोग उन घटकों द्वारा किया जाता है जो ड्राइवर सर्किट से जुड़े होते हैं। वे घटक एक ग्राउंड प्लेन का उपयोग करते हैं जो कम करंट रिटर्न पथ बनाता है, दूसरी ओर, पावर ग्राउंड उच्च वर्तमान रिटर्न पथ को वहन करता है। बिजली के घटक शोर कर रहे हैं और अगर वे एक ही जमीन में सीधे जुड़े हुए हैं, तो नियंत्रण सर्किटरी में अनिश्चित जमीन उछाल के मुद्दे पैदा हो सकते हैं। नीचे दी गई छवि दिखाती है कि कैसे एनालॉग और कंट्रोल सर्किटरी पीसीबी की अन्य विद्युत लाइनों से एकल परत पीसीबी में पूरी तरह से अलग हो जाती है ।

इन दो भागों को अलग करने की आवश्यकता है और उन्हें किसी विशेष क्षेत्र में जोड़ा जाना चाहिए।

यह आसान है अगर पीसीबी एक दोहरी परत है, जैसे शीर्ष परत का उपयोग नियंत्रण जमीन के रूप में किया जा सकता है और सभी नियंत्रण सर्किटरी को शीर्ष परत में आम जमीन के विमान से जोड़ा जाना चाहिए। दूसरी ओर, नीचे की परत का उपयोग बिजली के मैदान के रूप में किया जा सकता है और सभी शोर घटकों को इस जमीन के विमान का उपयोग करना चाहिए। लेकिन वे दो आधार एक ही कनेक्शन हैं और योजनाबद्ध में जुड़े हुए हैं। अब, ऊपर और नीचे की परतों को जोड़ने के लिए, दोनों स्थानों को एक ही स्थान पर जोड़ने के लिए vias का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, नीचे दी गई छवि देखें -

ड्राइवर के ऊपर के हिस्से में सभी पावर फिल्टर संबंधित कैपेसिटर होते हैं, जो ग्राउंड प्लेन को अलग से पावर जीएनडी कहते हैं, लेकिन ड्राइवर आईसी के नीचे का हिस्सा एक अलग कंट्रोल जीएनडी का उपयोग करते हुए सभी कंट्रोल संबंधित घटक हैं। दोनों आधार एक ही संबंध हैं लेकिन अलग-अलग बनाए गए हैं। दोनों GND कनेक्शन फिर चालक आईसी में शामिल हो गए।

IPC मानकों का पालन करें

आईपीसी पीसीबी डिजाइन मानक के अनुसार पीसीबी दिशानिर्देशों और नियमों का पालन करें। यदि हमेशा डिज़ाइनर IPC2152 और IPC-2221B में वर्णित पीसीबी डिज़ाइन मानक का अनुसरण करता है, तो यह त्रुटि अवसरों को कम करता है । मुख्य रूप से याद रखें कि निशान की चौड़ाई सीधे तापमान और वर्तमान वहन क्षमता को प्रभावित कर रही है। इसलिए, निशान की गलत चौड़ाई से तापमान में वृद्धि और खराब प्रवाह हो सकता है।

दो निशान के बीच का अंतर भी महत्वपूर्ण, अनिश्चित विफलता या पार बात से बचने के लिए है कभी कभी उच्च वर्तमान उच्च वोल्टेज आवेदन में crossfires। IPC-9592B पॉवर आपूर्ति आधारित पीसीबी डिजाइन में बिजली लाइनों के बीच की सिफारिश की रिक्ति का वर्णन करता है।

सेंस लाइन के लिए केल्विन कनेक्शन

केल्विन कनेक्शन बिजली आपूर्ति बोर्ड डिजाइन में एक और महत्वपूर्ण पैरामीटर है, माप की सटीकता के कारण जो नियंत्रण सर्किट की क्षमता को प्रभावित करता है। एक बिजली आपूर्ति नियंत्रण सर्किट को हमेशा किसी प्रकार के माप की आवश्यकता होती है, यह प्रतिक्रिया या अर्थ लाइन में वर्तमान संवेदन या वोल्टेज सेंसिंग हो। घटक से यह संवेदन किया जाना चाहिए इस तरह से होता है कि अन्य संकेत या निशान भावना रेखा के साथ हस्तक्षेप नहीं करते हैं। केल्विन कनेक्शन समान को प्राप्त करने में मदद करता है, अगर भावना रेखा एक अंतर जोड़ी है, तो दोनों निशान के लिए लंबाई समान होने की आवश्यकता है और ट्रेस घटक घटकों के पार जुड़ना चाहिए।

उदाहरण के लिए, केल्विन कनेक्शन को टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा पावर कंट्रोलर्स के पीसीबी डिजाइन दिशानिर्देशों में ठीक से वर्णित किया गया है।

उपरोक्त छवि केल्विन कनेक्शन का उपयोग करके उचित वर्तमान संवेदन दिखा रही है। सही कनेक्शन उचित केल्विन कनेक्शन है जो अर्थ लाइन डिजाइन के लिए आवश्यक होगा। उस दस्तावेज़ में पीसीबी लेआउट भी ठीक से दिया गया है।

पीसीबी लेआउट चालक या नियंत्रक आईसी के पार 10nF और 1nF सिरेमिक संधारित्र के बीच घनिष्ठ संबंध को दर्शाता है। सेंस लाइन उचित केल्विन कनेक्शन को भी दर्शा रही है। इनर पावर लेयर एक अलग स्रोत रेखा है जो शोर युग्मन को कम करने के लिए एकाधिक vias का उपयोग करके समान लेकिन अलग स्रोत रेखाओं के साथ जुड़ा हुआ है।