Ηλεκτρική τροφοδοσία PCB 1: Τύποι, βασικά εξαρτήματα και βασικές εκτιμήσεις σχεδιασμού

Τα PCB τροφοδοσίας είναι η "αστέρα ενέργειας" κάθε ηλεκτρονικής συσκευής, από έναν απλό αριθμομηχανό μέχρι μια σωτήρια μηχανή MRI.διασφαλίζοντας κάθε στοιχείο (μικροτσίπ)Ένα κακοσχεδιασμένο PCB τροφοδοσίας οδηγεί σε υπερθέρμανση, βλάβη συσκευής ή ακόμη και κινδύνους ασφάλειας (π.χ. βραχυκυκλώματα).Με την άνοδο των συσκευών υψηλής ισχύος όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και οι διακομιστές κέντρων δεδομένων, η κατανόηση των τύπων τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας PCB, συστατικά και κανόνες σχεδιασμού δεν ήταν ποτέ πιο κρίσιμη.από την επιλογή του σωστού τύπου έως την βελτιστοποίηση της θερμικής διαχείρισης και του ελέγχου EMI.

Βασικά συμπεράσματα
1.Επιλέξτε τον κατάλληλο τύπο PCB: άκαμπτα PCB (46,5% μερίδιο αγοράς το 2024) για την αντοχή, ευέλικτα PCB για φορητά/ιατρικές συσκευές και πολυεπίπεδα PCB για ανάγκες υψηλής ισχύος (π.χ. κέντρα δεδομένων).
2Η επιλογή της τροφοδοσίας ισχύος: Οι γραμμικές τροφοδοσίες υπερέχουν σε εφαρμογές χαμηλού θορύβου και χαμηλής ισχύος (ακουστικές / ιατρικές συσκευές), ενώ οι τροφοδοσίες ισχύος διακόπτη (SMPS) προσφέρουν απόδοση 70-95% για μικρές συσκευές,ηλεκτρονικά προϊόντα υψηλής ισχύος (έξυπνα τηλέφωνα), διακομιστές).
3Οι προδιαγραφές των εξαρτημάτων δεν είναι διαπραγματεύσιμες: Χρησιμοποιήστε πυκνωτές με χαμηλό ESR, επαγωγείς με υψηλό ρεύμα κορεσμού και MOSFET με χαμηλή αντίσταση ρεύματος για να αποφευχθούν οι βλάβες.
4.Σχεδιασμός για ασφάλεια και αποτελεσματικότητα: Ακολουθήστε το IPC-2152 για το πλάτος των ίχνη, χρησιμοποιήστε θερμικούς διαδρόμους / χύσεις χαλκού για τη διαχείριση της θερμότητας και προσθέστε φίλτρα EMI (φερριτικά χάντρες, φίλτρα pi) για τη μείωση του θορύβου.
5.Προστασία από κινδύνους: Ενσωματώστε υπεροχή, υπερεύμα και θερμική προστασία για την πρόληψη ζημιών από ακμές ισχύος ή υπερθέρμανση.

Τι είναι ένα PCB τροφοδοσίας ρεύματος;
Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα τροφοδοσίας είναι ένα εξειδικευμένο κυκλικό πλάνο που διαχειρίζεται την ηλεκτρική ενέργεια για ηλεκτρονικές συσκευές.

1.Μετατροπή ισχύος: Αλλαγή ρεύματος ρεύματος ρεύματος (από τις πύλες του τοίχου) σε ρεύμα ρεύματος ρεύματος (για τα ηλεκτρονικά) ή ρύθμιση τάσης ρεύματος ρεύματος (π.χ. 12V σε 5V για ένα μικροτσίπ).
2.Κανονισμός: Σταθεροποιεί την τάση/στροφή για να αποφεύγεται η διακύμανση που βλάπτει ευαίσθητα εξαρτήματα.
3Προστασία: Προστατεύει τα κυκλώματα από υπεροχή, υπερστροφή, βραχυκυκλώματα ή αντίστροφη πολικότητα.

Κεντρικά συστατικά PCB τροφοδοσίας
Κάθε PCB τροφοδοσίας βασίζεται σε βασικά μέρη για τη λειτουργία τους, το καθένα με συγκεκριμένο ρόλο στη διαχείριση της ενέργειας:

Γιατί έχουν σημασία τα PCB για την τροφοδότηση
Το PCB τροφοδοσίας είναι το πιο κρίσιμο μέρος οποιασδήποτε ηλεκτρονικής συσκευής, το σχεδιασμό του επηρεάζει άμεσα:

1Ασφάλεια: Τα κακοσχεδιασμένα πλαίσια προκαλούν υπερθέρμανση, πυρκαγιές ή ηλεκτρικά σοκ (π.χ. μια ελαττωματική παροχή ρεύματος σε ένα φορητό υπολογιστή μπορεί να λιώσει εσωτερικά εξαρτήματα).
2Αξιοπιστία: Οι διακυμάνσεις τάσης ή ο θόρυβος μπορούν να προκαλέσουν συντριβή ευαίσθητων τσιπ (π.χ. η διακοπή της παροχής ρεύματος ενός ιατρικού οθόνου θέτει τους ασθενείς σε κίνδυνο).
3.Αποτελεσματικότητα: Η αναποτελεσματική παροχή ενέργειας σπαταλά την ενέργεια (π.χ. μια γραμμική παροχή σε έναν διακομιστή σπαταλά 40~70% της ενέργειας ως θερμότητα, αυξάνοντας το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας).
4Μέγεθος: Τα PCB που βασίζονται σε SMPS είναι 50~70% μικρότερα από τα γραμμικά, επιτρέποντας τη χρήση συμπαγών συσκευών όπως smartphones ή wearables.

Τύποι PCB τροφοδοσίας ρεύματος: Ποιό να διαλέξω;
Τα PCB τροφοδοσίας ισχύος κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη δομή (κατακάθαρα, ευέλικτα) και τον αριθμό των στρωμάτων (μονομερείς, πολυεπίπεδες).και η επιλογή του σωστού αποφεύγει την υπερβολική μηχανική ή την έγκαιρη αποτυχία.

1Κατά δομή: άκαμπτο, ευέλικτο, άκαμπτο-ελαστικό

2.Κατά αριθμό στρωμάτων: μονόπλευρη, διπλόπλευρη, πολυστρωτή

3Προβλέψεις αγοράς για το 2024
α.Τα άκαμπτα PCB: κυριαρχούν λόγω του χαμηλού κόστους και της ευελιξίας τους, που χρησιμοποιούνται στο 90% των βιομηχανικών ενεργειακών πηγών.
β.Πολυεπίπεδα PCB: Μεγαλύτερο τμήμα εσόδων (52% της αγοράς) επειδή οι συσκευές υψηλής ισχύος χρειάζονται ξεχωριστά επίπεδα ισχύος / εδάφους για τη μείωση του θορύβου.
γ.Σκληρά-ευέλικτα PCB: Ταχύτερη αύξηση (15~20% CAGR) λόγω της ζήτησης φορητών και ιατρικών συσκευών.

Επαγγελματική συμβουλή: Για πηγές ρεύματος άνω των 50W, χρησιμοποιήστε πολυεπίπεδα PCB με ειδικά επίπεδα ισχύος/εδαφισμού. Αυτό μειώνει την αντίσταση και τη θερμότητα κατά 30%.

Τύποι τροφοδοσίας: γραμμική ή διακόπτης
Η μονάδα τροφοδοσίας είναι η "καρδιά" του PCB.

1. Γραμμικές πηγές ρεύματος
Οι γραμμικές πηγές ενέργειας χρησιμοποιούν έναν μετασχηματιστή για να μειώσουν την τάση εναλλασσόμενου ρεύματος, στη συνέχεια έναν ευθυγραμμιστή και έναν πυκνωτή για να την μετατρέψουν σε ομαλό συνεχές ρεύμα.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Οι καλύτερες εφαρμογές
α.Ακουστικός εξοπλισμός: μικρόφωνα, ενισχυτές (ο θόρυβος καταστρέφει την ποιότητα του ήχου).
β. Ιατρικές συσκευές: μηχανές μαγνητικής τομογραφίας, μετρητές πίεσης αίματος (ο θόρυβος διαταράσσει τις μετρήσεις).
γ. Εργαστηριακός εξοπλισμός: οσκιλοσκόπια, γεννήτριες σήματος (απαιτεί σταθερή ισχύ για ακριβείς μετρήσεις).

2Ηλεκτρικές πηγές ρεύματος με διακόπτη (SMPS)
Το SMPS χρησιμοποιεί MOSFET ταχείας εναλλαγής (10kHz1MHz) για τη μετατροπή ισχύος.Αποθηκεύει ενέργεια σε επαγωγούς/συμπιεστήρες και την απελευθερώνει σε ελεγχόμενες εκρήξεις, γεγονός που την καθιστά 70-95% αποδοτική και πολύ μικρότερη από τις γραμμικές παροχές..

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Κοινές τοπολογίες SMPS (σχεδιασμοί)
Το SMPS χρησιμοποιεί διαφορετικά σχέδια κυκλωμάτων ("τοπολογίες") για συγκεκριμένες ανάγκες:

Οι καλύτερες εφαρμογές
α.Καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα: κινητά τηλέφωνα, τηλεοράσεις, φορητοί υπολογιστές (απαίτηση μικρής, αποδοτικής ισχύος).
β.Κέντρα δεδομένων: Διακομιστές, δρομολογητές (υψηλή απόδοση μειώνει το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας).
γ.Αυτοκινητοβιομηχανία: Ηλεκτρικά αυτοκίνητα, συστήματα ADAS (πολλαπλές εξόδους για αισθητήρες/κινητήρες).

3. Γραμμικό έναντι SMPS: Σύγκριση από κεφαλή σε κεφαλή

Βασικές εκτιμήσεις σχεδιασμού για τα PCB τροφοδοσίας
Ένα μεγάλο ηλεκτρικό κύκλωμα PCB δεν είναι μόνο για τα εξαρτήματα, αλλά και για τη διάταξη, τη θερμική διαχείριση και την προστασία.

1Διαμόρφωση: Ελαχιστοποίηση θορύβου και αντίστασης
Η κακή διάταξη προκαλεί θόρυβο, υπερθέρμανση και πτώση τάσης.

α.Σύντομα, ευρεία ίχνη ισχύος: Χρησιμοποιήστε το IPC-2152 για τον υπολογισμό του πλάτους ίχνη για ρεύμα 5A, ένα ίχνος χαλκού 2 ουγκιάς πρέπει να είναι 3 mm πλάτος (έναντι 6 mm για χαλκό 1 ουγκιάς).
β.Αποχωρισμένα επίπεδα ισχύος/εδάφους: Τα ειδικά επίπεδα ισχύος (για 12V/5V) και τα επίπεδα εδάφους μειώνουν την αντίσταση· διατηρούνται γειτονικά (0,1mm διαλεκτρικό) για να δημιουργείται φυσική χωρητικότητα (φιλτράρει θόρυβο).
c. Τοποθετήστε τα στοιχεία στρατηγικά:
Τοποθετήστε ενσωματωμένους πυκνωτές (μεγάλα ηλεκτρολύματα) κοντά στον συνδετήρα ισχύος για να ομαλυνθεί το κύμα εναλλασσόμενου.
Τοποθετήστε τους πυκνωτές αποσύνδεσης (0,1μF) σε απόσταση 2 mm από τις πινές ισχύος του IC για να αποκλείσετε τον θόρυβο υψηλής συχνότητας.
Ομαδοποιήστε θερμά στοιχεία (MOSFET, ρυθμιστές) μαζί για καλύτερη διάχυση της θερμότητας.
δ.Αποφύγετε τους κυκλούς γείωσης: Χρησιμοποιήστε ένα ενιαίο σημείο γείωσης ("στέρι γείωσης") για αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα. Αυτό εμποδίζει το ρεύμα να ρέει μέσω ευαίσθητων αναλογικών ίχνη.

2. πλάτος ίχνη & πάχος χαλκού
Χρησιμοποιήστε τις κατευθυντήριες γραμμές IPC-2152 ή ηλεκτρονικούς υπολογιστές (π.χ. Πίνακα εργαλείων PCB) για να εντοπίσετε το μέγεθος:

α.Δάχος χαλκού: 2oz χαλκού (70μm) είναι καλύτερο από 1oz (35μm) για τροφοδοσίες ̇ μειώνει την αντίσταση κατά 50% και χειρίζεται περισσότερη θερμότητα.
β.Θερμικοί διάδρομοι: Προσθέστε 4-6 θερμικούς διάδρομους (0,3 mm τρύπα) κάτω από θερμά εξαρτήματα (π.χ. MOSFET) για τη μεταφορά θερμότητας στο επίπεδο εδάφους. Αυτό μειώνει τη θερμοκρασία του εξαρτήματος κατά 20-30 °C.

3Θερμική διαχείριση: Σταματήστε την υπερθέρμανση
Η θερμότητα είναι η πρώτη αιτία αποτυχίας τροφοδοσίας ̇ κάθε αύξηση θερμοκρασίας κατά 10°C μειώνει κατά το ήμισυ τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων.

α.Επιλογή υλικού:
Για χαμηλής ισχύος (≤50W): FR-4 (φθηνό, εύκολο στην κατασκευή).
Για υψηλής ισχύος (> 50 W): PCB με μεταλλικό πυρήνα (αλουμινίου/ χαλκού πυρήνα) με θερμική αγωγιμότητα 50-100 φορές υψηλότερη από την FR-4.
Υλικό θερμικής διεπαφής (TIM): Χρησιμοποιήστε TIM μεταβολής φάσης (2.23 W/m·K) μεταξύ των απορροφητήρων θερμότητας και των εξαρτημάτων, καλύτερα από τη θερμική πάστα για μακροχρόνια αξιοπιστία.
β.Απορροφητήρες θερμότητας: Εγκαταστήστε απορροφητήρες θερμότητας αλουμινίου στα MOSFET και τους ρυθμιστές, μεγέθους που βασίζεται στην απώλεια ισχύος (π.χ. ένα συστατικό 10W χρειάζεται απορροφητήρα θερμότητας 50mm × 50mm).
γ.Προρροή αέρα: Αφήστε κενά 2 ∆3 mm μεταξύ των θερμών εξαρτημάτων για να κυκλοφορεί αέρας για κλειστές συσκευές (π.χ. PSU διακομιστών), προσθέστε ανεμιστήρες για να πιέσετε αέρα πάνω από τους απορροφητήρες θερμότητας.
δ.Σιμουλισμός: Χρησιμοποιήστε εργαλεία όπως το Ansys Icepak για να μοντελοποιήσετε τη ροή θερμότητας· αυτό εντοπίζει τα θερμά σημεία (π.χ. μια πολυσύχναστη περιοχή MOSFET) πριν από την κατασκευή πρωτοτύπων.

4Ελέγχος ΕΜΙ: Μείωση θορύβου
Το SMPS δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) που μπορούν να διαταράξουν άλλα ηλεκτρονικά (π.χ. μια πηγή ενέργειας σε ένα δρομολογητή μπορεί να προκαλέσει διακοπές Wi-Fi).

α.Μικροί κύκλοι διακόπτη: Να διατηρείται όσο το δυνατόν μικρότερη η περιοχή του κυκλώματος διακόπτη (MOSFET + επαγωγός + πυκνωτής), μειώνοντας έτσι το εκπεμπόμενο EMI κατά 40%.
β.Συλλέκτες EMI:
Πι-φίλτρα: τοποθετούνται στην είσοδο (AC ή DC) για να φιλτράρουν τον θόρυβο διαφορικής λειτουργίας (χρησιμοποιούν έναν πυκνωτή + επαγωγό + πυκνωτή).
Σφραγίδες κοινής λειτουργίας: Προσθήκη σε καλώδια εισόδου/εξόδου για την αποκλεισμό θορύβου κοινής λειτουργίας (π.χ. θόρυβο από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας).
Φεριτικές χάντρες: Τοποθετούνται ίχνη σήματος κοντά σε διασταλτικά διακυμάνσεων για την απορρόφηση θορύβου υψηλής συχνότητας (100kHz1GHz).
c. Ασφάλεια: Χρησιμοποιήστε χαλκό ταινία ή μεταλλικά κουτιά για την προστασία ευαίσθητων περιοχών (π.χ. τα MOSFET διακόπτη). Αυτό δημιουργεί ένα κλουβί Faraday που παγιδεύει το EMI.
δ.Y-συμπιεστές: Σύνδεση μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών συμπιεστών για την εκτροπή θορύβου κοινής λειτουργίας σε συμπιεστές εδάφους που χρησιμοποιούνται για 250 V εναλλασσόμενου ρεύματος (πρότυπο ασφάλειας).

5Προστατευτικά χαρακτηριστικά: Αποφυγή κινδύνων
Προσθέστε αυτές τις προστασίες για την πρόληψη ζημιών από ακραίες τιμές ισχύος, βραχυκυκλώματα ή σφάλματα του χρήστη:

α.Προστασία κατά της υπερτάσης (OVP): Χρησιμοποιήστε διόδιο Zener ή κύκλωμα ράβδου για να συντομεύσετε την παροχή, εάν η τάση υπερβαίνει το 1,2x της ονομαστικής αξίας (π.χ. μια παροχή 12V ενεργοποιεί την OVP σε 14,4V).
β.Προστασία από υπερστροφή (OCP): Χρησιμοποιήστε ασφάλεια (1.5x μέγιστο ρεύμα) ή eFuse (αναπροσαρμόσιμη) για να διακόψετε την ισχύ εάν το ρεύμα είναι πολύ υψηλό.
γ.Προστασία αντίστροφης πολικότητας: Προσθήκη MOSFET σε σειρά με την είσοδο· εάν ο χρήστης συνδέσει την ισχύ προς τα πίσω, το MOSFET σβήνει, αποτρέποντας τη ζημιά.
δ.Θερμική διακοπή λειτουργίας: Χρησιμοποιήστε αισθητήρα θερμοκρασίας (π.χ. θερμοστάτη NTC) για να διακόψετε την παροχή ενέργειας εάν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 85°C, κρίσιμους για κλειστές συσκευές (π.χ. smart home hubs).
Προστασία ESD: Προσθέστε διόδους TVS (προηγούμενοι καταστολείς τάσης) στις πινές εισόδου/εξόδου για να σφίξετε τις αιχμές ESD (π.χ. από την επαφή του χρήστη) σε ασφαλή επίπεδα.

Πρότυπα IPC για PCB τροφοδοσίας
Ακολουθήστε τα παρακάτω πρότυπα IPC για να διασφαλίσετε την ασφάλεια, την αξιοπιστία και την κατασκευαστικότητα:

Παραδείγματος χάριν: Ένα PCB τροφοδοσίας 10A πρέπει να ακολουθεί την IPC-2152 για να χρησιμοποιήσει ένα ίχνος χαλκού πλάτους 3,2 mm 2oz. Αυτό εξασφαλίζει ότι το ίχνος δεν υπερθερμαίνεται (≤30 °C άνοδος) κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.

Γενικές ερωτήσεις
1Πότε πρέπει να χρησιμοποιήσω γραμμική τροφοδοσία αντί για SMPS;
Χρησιμοποιήστε γραμμικές πηγές για εφαρμογές χαμηλής ισχύος (< 50W), ευαίσθητες στον θόρυβο (π.χ. ενισχυτές ήχου, ιατρικές οθόνες).Η αποτελεσματικότητα και το μέγεθος έχουν σημασία.

2Πώς υπολογίζω το σωστό πλάτος για την τροφοδοσία μου;
Χρησιμοποιήστε τις κατευθυντήριες γραμμές IPC-2152 ή ηλεκτρονικούς υπολογιστές (π.χ. εργαλείο PCB).Για παράδειγμα:, 5A με 2 ουγκιές χαλκού χρειάζεται ένα ίχνος πλάτους 1,6 mm.

3.Ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος για να μειωθεί η EMI σε ένα SMPS PCB;
α. Να διατηρούνται μικροί οι βρόχοι διασύνδεσης (MOSFET + επαγωγός + πυκνωτής).
β. Προσθέστε ένα φίλτρο pi στην είσοδο και ένα common-mode choke στα καλώδια.
γ. Χρησιμοποιήστε μεταλλική ασπίδα γύρω από τα ανταλλακτικά.
δ.Τα Y-condensators τοποθετούνται μεταξύ των πρωτογενών και δευτερογενών βάσεων.

4Γιατί οι τροφοδοτικές PCB χρειάζονται θερμικούς διαδρόμους;
Οι θερμικοί διαδρόμοι μεταφέρουν θερμότητα από ζεστά εξαρτήματα (π.χ. MOSFET) στο επίπεδο εδάφους, το οποίο λειτουργεί ως απορροφητή θερμότητας.

5Ποια χαρακτηριστικά προστασίας είναι μη διαπραγματεύσιμα για ένα PCB τροφοδοσίας;
α. Προστασία κατά της υπερτάσης (OVP): Αποτρέπει τις σφαιρίδες τάσης από την καταστροφή των εξαρτημάτων.
β. Προστασία από υπερστροφή (OCP): εμποδίζει τα βραχυκυκλώματα να προκαλέσουν πυρκαγιές.
c.Θερμική διακοπή λειτουργίας: Αποτρέπει την υπερθέρμανση σε κλειστές συσκευές.
Δ. Προστασία αντίστροφης πολικότητας: Αποφεύγει ζημιές από εσφαλμένη σύνδεση ρεύματος.

Συμπεράσματα
Τα PCB τροφοδοσίας είναι οι άγνωστοι ήρωες του ηλεκτρονικού· διατηρούν τις συσκευές ασφαλείς, αποδοτικές και αξιόπιστες.τροφοδοσία (γραμμική για χαμηλό θόρυβο), SMPS για την αποδοτικότητα), και σύμφωνα με αυστηρούς κανόνες σχεδιασμού (λάθος ίχνη, θερμική διαχείριση, έλεγχος EMI).

Με την προτεραιότητα των προτύπων IPC, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα υψηλής ποιότητας (κατασκευαστές χαμηλού ESR, επαγωγείς υψηλού κορεσμού) και προσθέτοντας χαρακτηριστικά προστασίας, θα κατασκευάσετε PCB τροφοδοσίας που διαρκούν για χρόνια.Είτε σχεδιάζετε ένα φορτιστή τηλεφώνου 5W είτε μια μονάδα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας 500W για διακομιστές, οι αρχές του παρόντος οδηγού εφαρμόζονται.

Καθώς τα ηλεκτρονικά προϊόντα γίνονται πιο ισχυρά (π.χ. ηλεκτρικά αυτοκίνητα, διακομιστές τεχνητής νοημοσύνης), τα PCB τροφοδοσίας θα αυξήσουν μόνο τη σημασία τους.και σπαταλημένη ενέργεια αργότεραΘυμηθείτε: μια μεγάλη πηγή ενέργειας PCB δεν παρέχει μόνο ενέργεια παρέχει γαλήνη.