Основы компоновки и трассировки плат импульсных источников питания

Идеальный источник питания преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). В случае идеального мира в режиме работы при постоянном токе отсутствуют и шумы, и пульсации, и гармоники переменного тока. К тому же, в таких условиях земля, являющаяся начальной точкой отсчет для всей системы питания постоянного тока, чиста. Наш настоящий мир не идеален и далек от совершенства…

Для начала, необходимо разобраться с окружающими условиями и понять, что помехи в радиочастотном диапазоне обычно создаются внешними передатчиками, а также цифровыми схемами, работающими на той же печатной плате. Для начала скажем о розетке с переменным напряжением. Необходимо использовать сетевой фильтр в большинстве случаев. Пример подобного фильтра показан на рисунке 1.

Синфазный сетевой фильтр

Рис. 1. Синфазный сетевой фильтр

Главная функция фильтра – обеспечение симметричной двусторонней защиты. Он защищает от помех, которые могут проникнуть в устройство извне, из сети переменного тока, а также препятствует помехам, генерируемым самим устройством, проникнуть в сеть. Необходимо проверять как уровень помех, излучаемых устройством, так и приемлемость поступающих в него сигналов.

Стандартные ошибки на уровне платы

В общем случае, в многослойных печатных платах сплошные земляные полигоны и полигоны питания, которые максимально обеспечивают целостность сигналов.

Изначально необходимо выбрать точки подключения земли на шасси и на всех печатных платах. Некоторые начинающие разработчики рассматривают землю как некоторую область, в которой исчезают все наводки и нивелируются все просчеты. Иногда они выбирают изначально земляную точку, не обеспечивая раздельных путей для протекания возвратных токов к данной точке от схем разных типов. Данная ошибка показана на рисунок 2.

Ошибки, приводящие к зашумленной схеме

Рис. 2. Ошибки, приводящие к зашумленной земле

Для начала стоит обратить внимание на помеченную звездочкой точку заземления на источнике питания +5 В. Шумы, которые генерируются цифровыми схемами будут проникать как в сам источник питания 5 В, так и на землю. Ясно, что аналоговой схеме необходимо «чистое» напряжение +3,3 В, но мы не стали проводить отдельные дорожки земли и шины +5 В к обозначенным звездочками точкам на источнике питания. Линейный LDO-стабилизатор необходим для создания чистых 3,3 В, во всяком случае, нам так кажется. В реальности напряжение на выходе линейного стабилизатора всегда будет ровно на 3,3 В выше опорного напряжения или потенциала земли. Поскольку LDO-стабилизатор выполняет свою работу, а потенциал земли изменяет свое значение, то выходное напряжение +3,3 В станет изменяться вслед за потенциалом земли. А теперь зададимся вопросом, сколько времени необходимо на поиск причин некорректной работы модуля, в котором не предусмотрено раздельное подключение цифровых и аналоговых схем к источнику питания? Лучший способ подключения аналоговой схемы показан на рисунке 3.

Правильное подключение к земле и питанию. Предполагается, что в точках подключения земля и питание чистые

Рис.3. Правильное подключение к земле и питанию. Предполагается, что в точках подключения земля
и питание чистые.

Говоря, что в точках, помеченных на рисунке 3 звездочками, земля и питание чистые, значит, что между землей и питанием нет дифференциального шума. В идеальном случае выходной импеданс источника питания должен быть практически равен нулю, либо на выходе необходимо установить развязывающие конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением в требуемом диапазоне частот. Отдельные проводники, соединяющие различные схемы с точками земли и питания, имеют свое сопротивление и индуктивность. Предполагается, что эти сопротивление и индуктивность изолируют шумящие схемы от чистых схем. Последовательно включенные сопротивление и индуктивность, а также развязывающие конденсаторы на выходах модулей формируют фильтр нижних частот. В случае короткого проводника, идущего к схемному модулю, может понадобиться дискретный резистор или индуктивность.

Конденсатор с присущими ему паразитными компонентами

Рис.4. Конденсатор с присущими ему паразитными компонентами.

Не так просто обеспечить развязку, так как у конденсаторов имеются паразитные индуктивности. На практике конденсатор описывают в виде последовательной RCL-схемы (рисунок 4). Емкость доминирует на низких частотах, но выше частоты последовательного резонанса (Self-Resonance Frequency (SRF) – собственная резонансная частота), показанной для различных номиналов конденсаторов (рисунок 5), имеется область, в которой импеданс конденсатора носит индуктивный характер. Следовательно, конденсатор необходимо использовать для развязки только в диапазоне частот, который находится вблизи или ниже его SRF, там где его импеданс имеет низкое значение.

Шесть конденсаторов разных номиналов и их собственные резонансные частоты

Рис.5. Шесть конденсаторов разных номиналов и их собственные резонансные частоты.

На рисунке 5 показаны типичные частотные характеристики конденсаторов разных номиналов. На рисунке четко прослеживаются собственные резонансные частоты (спады на графиках). Приведенные характеристики характеризуют то, что на низких частотах конденсаторы с более высокими значениями емкостей (обладающие более низким импедансом) обеспечивают более качественную развязку, чем конденсаторы меньших номиналов. 

Автор: Билл Лаумайстер.

Источник:  "Время электроники"