Наверное, силовая электроника – рекордсмен по скорости и зрелищности начальных испытаний опытных образцов. Тут вам и свето-шумовые эффекты, и пластиковый короб для защиты глаз/лица, и даже острые ощущения. Вспомните первое включение. Это трепетное ожидание пиротехнического шоу, готовность выдернуть вилку, надеть шлём и убежать в бункер. А ведь так хочется, чтобы проект взлетел! Посмотрим, без чего проект точно успешно не взлетит, разберём примеры и полюбуемся на бабахи…

❯ Предыстория.

Данный материал подготовлен уже некоторое время назад. Но тогда я не стал его публиковать: вдруг сжатый «конспект» – это не совсем подходящая форма. Быть может, было бы нагляднее показать основные моменты на примере отдельных устройств. Но можно потерять общую линию. Поэтому, некоторый концентрированный материал в сжатом объёме всё же нужен. Хочется поделиться своей подборкой правил, хитростей и тонкостей, тщательно подобранных (и проанализированных) из разных источников – книг, аппнотов, статей и видеозаписей (будут указаны в конце второй части). Основное внимание решено уделить печатной плате. Ведь этого материала мне особенно не хватало. Надеюсь, будет кстати.

❯ Необходимые составляющие.

Итак, три составных части хорошего источника питания:

1. Продуманная схема.
   
2. Правильный расчёт, компоновка и аккуратное изготовление магнитных (индуктивных или моточных) элементов.
   
3. Грамотная компоновка и разводка печатной платы. Плата – это часть схемы.
   

Рассмотрим составляющие по порядку.

❯ Схема.

Схема рождается с выбора топологии. Выбор, во многом, определяется поставленной задачей. К примеру, важна мощность преобразователя, габариты, стоимость, какие-то специальные требования. Часто используются определённые типовые решения и даже части схем. Например, разные схемы выпрямления, фильтров или защитных цепей. В обратноходовом преобразователе это могут быть типовые схемы снабберов или демпферов. Удачно выбрать ту или иную схему, решение – это целое искусство, постигаемое с опытом. Разные топологии, типовые схемы, элементы схем и другое очень хорошо описано в алфавите силовой электроники.

Пример классического решения – поместить резистор с затвора на исток (или на землю) рядом с ключом, чтобы транзистор самопроизвольно не открывался.


Вспоминается история из личного опыта. К затвору полевого транзистора припаян проводок 5-7 см, который болтался в воздухе (отличная антенка!). Мультиметр в режиме прозвонки был подключен к стоку и истоку. А потом прибор вдруг запищал – транзистор открылся. Причём руками я затвор не трогал.

На схемном этапе очень помогает тщательное изучение документации (datasheet) на контроллер преобразователя и указаний по его применению (application notes). Многие подводные камни там уже рассмотрены, даны ценные рекомендации не только по схеме, но и по расчётам и даже по разводке платы.


Производители часто предоставляют удобные программы для облегчения расчётов схем, использующих их компоненты. Часто это бывают таблицы в экселе (расчётки) или отдельные программы.

Хорошо уже на этапе проектирования схемы начать продумывать землю. Например, разделить на сигнальную и силовую. В Altium Designer для этого удобно использовать элемент Net tie.
Ошибки в схеме тоже могут привести к бабаху. Например, плохо спроектированные драйверы ключей могут вызвать протекание сквозных токов, а потом сгорание ключей. Если что-то сгорает, то часто уносит за собой ещё с полсхемы.

❯ Моточные изделия.

Здесь важно правильно выбрать материал магнитопровода. Выбирается он по величине удельных потерь. Форма и размер сердечника – по возможности намотать расчетную индуктивность и разместить сердечник на плате (и не только). Можно воспользоваться параметром габаритная мощность трансформатора для определения возможности реализовать расчетный трансформатор.

Важно правильно рассчитать количество витков. С сердечника не обязательно выжимать максимальную мощность. Можно уменьшить индукцию и взять сердечник побольше. Это может снизить потери в нём. Вспомним график потерь в магнитопроводе в зависимости от индукции магнитного поля и частоты. Например, для популярного материала n87.


Очень удобно использовать программы Старичка (Владимира Денисенко) или другие. Но для понимания (или для больших мощностей) лучше проводить расчёты руками (например, в Маткаде).
Необходимо ещё грамотно и аккуратно изготовить трансформатор. Отличное видео по теме:

Для учебных проектов трансформатор можно сделать и попроще – без изолирующих трубочек, бандажной ленты и пропитки. Работать тоже будет –нужно же с чего-то начинать. Но если преобразователь работает от сети, то лучше применять указанные материалы.

Бандажная лента шириной 3мм сверху и снизу намотки обеспечивает длину пути тока утечки 6мм.

Ещё пример намотки трансформатора для полумоста:

Неправильно рассчитанный трансформатор может войти в насыщение, что почти всегда приводит к бабаху.
Отличный, очень подробный и наглядный материал про трансформатор с картинками и графиками можно найти здесь.

❯ Плата.

Подробнее всего мне хочется остановится на печатной плате. Ведь неправильно разведенная плата может загубить отличный проект. Это неудивительно, так как плата зачастую – это самая сложная часть проекта. Общие соображения по вопросу разводки и компоновки платы относятся как к маломощным преобразователям мощностями единицы ватт, так и к мощным – единицы кВт. Может и больше, не проверял. Возможно, при меньших мощностях ошибки будут не столь критичны. Но при мощностях, больших примерно 250 Вт они уже могут не позволить вашему проекту взлететь.

Одна из сложностей проектирования платы в том, что на схеме есть далеко не все элементы, которые имеют место в действительности. Начать можно с заземления. На схеме земля обычно не рисуется отдельными проводниками, а обозначается специальным знаком. Это, конечно, удобно, но вносит некоторую путаницу и совершенно не даёт понимания, где и как должны течь токи.

Например, у нас есть схема:



Как это будет реализовано на плате? Есть, как минимум, 2 варианта.





Что плохого в первом варианте? Во-первых, силовой ток ключа и немалый ток заряда затвора протекает по тому же пути, что и слабенькие сигнальные токи. Это вызывает паразитные падения напряжения на сопротивлении дорожек и всплески напряжения из-за их индуктивностей. Во-вторых, бОльшие токи протекают по более длинному пути, что увеличивает индуктивность этого пути и паразитные выбросы. Это может не только нарушить работу схемы, но и вызвать проблемы с электромагнитной совместимостью.

Что нужно сделать, чтобы стало хорошо? Для начала, разделить пути протекания токов. Теперь, если контроллер измеряет какое-то напряжение относительно земли (или нуля), то там и будет ноль, а не что-то значительно отличающееся. Хорошо расположить элементы схемы так, чтобы контур с бОльшим током имел меньшую длину (меньшую индуктивность). Кроме того, были добавлены конденсаторы по питанию для каждого блока.

При разводке печатных плат (ПП) нужно учитывать паразитные сопротивления, ёмкости и индуктивности. Расширяя проводник (дорожку на плате), мы уменьшаем его сопротивление и индуктивность, но увеличиваем емкость (образуется с другими дорожками на других слоях). Для уменьшения ёмкости нужно, наоборот, уменьшать площадь дорожки. Также можно увеличить толщину текстолита (как расстояние между обкладками конденсатора).

Ток, протекая по дорожке, может порождать падение напряжения на её паразитном сопротивлении. Поэтому, например, выходное напряжение лучше измерять ближе к выходному разъёму, как на картинке справа. Хотя, разница может оказаться и не критичной.


Паразитное сопротивление дорожки можно прикинуть, зная удельное сопротивление меди на квадратик. А потом просто посчитать квадратики. Но это будет приблизительно, только оценка. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления.
Особое внимание нужно обратить на разводку резистора-датчика тока Rcs. В мощных схемах он имеет малое сопротивление, не во много раз большее сопротивления медной дорожки. Лучше использовать Кельвиновское (4-проводное) подключение.



Основные вещи, на которые следует обращать внимание при разводке платы (независимо от топологии):

1. Цепи с высокой скоростью di/dt. (Вспоминаем формулу U = Ldi/dt). Особенно где ток резко включается и выключается. Паразитная индуктивность в такой цепи вызовет дополнительные выбросы напряжения и резонансный звон. Это может повредить устройства, вызвать помехи в соседних цепях, вызвать неустойчивую работу контроллера и потери при переключении.
   
2. Узлы с высокой скоростью dV/dt. (Вспоминаем формулу I = CdV/dt) Паразитная ёмкость передаст шум в соседние цепи.
   
3. Проводники с большими постоянными (или низкочастотными переменными) токами. Большие токи вызывают нагрев проводников. Учитывая относительно большой температурный коэффициент сопротивления меди, это может дать дополнительные ошибки. 
   
4. Сигнальные соединения. Восприимчивы к помехам от внешних цепей. Шум может вызывать дрожание сигнала, проблемы со стабильностью. Это может быть поле Н – помехи по магнитной связи, или поле Е – помехи по ёмкостным связям. 
   

Рассмотрим несколько примеров.

В цепи диода и транзистора (красный, синий) ток включается и выключается, поэтому там большая скорость di/dt. А в зелёной цепи эта скорость значительно меньше (ток изменяется более плавно). Поэтому имеет смысл в первую очередь уменьшать индуктивность в цепях диода и транзистора, даже за счёт увеличения в цепи дросселя (в зелёной цепи). Хотя, конечно, паразитную индуктивность лучше уменьшать везде.


Узел, выделенный голубым цветом, переключается между 0 В и Vout, поэтому имеет большую скорость dV/dt. Шумовой ток, проникающий через паразитную ёмкость С в соседние цепи равен iш = СdV/dt. Он особенно мешает, когда проникает в чувствительные узлы контроллера и нарушает его работу.


На dV/dt повлиять можно с помощью затворного резистора, если ключ не встроен в микросхему. Но делать это надо осторожно, так как при уменьшении скорости переключения ключа увеличиваются потери. Поэтому лучше уменьшать ёмкость С (уменьшать площадь или увеличивать толщину платы). В этом узле довольно большие токи, поэтому может возникнуть соблазн уменьшить сопротивление, увеличивая площадь проводников. Но здесь гораздо важнее уменьшить ёмкость, чтобы уменьшить шумы, а также потери при переключении. В даташитах на dc-dc преобразователи часто можно встретить рекомендации уменьшить площадь данного узла.

Важно заземлять любой радиатор, на котором установлен транзистор или диод, иначе он будет плавать вместе с коммутируемым узлом и вызывать значительное увеличение электромагнитных помех. Дело в том, что корпус транзистора или микросхемы (вспомним, например, TOP-Switch), к которым обычно подключен сток, образует с радиатором конденсатор. Например, использовать металлический корпус блока в качестве радиатора для силового ключа – не очень хорошая идея.

От перезаряда паразитной ёмкости возникает шумовой ток, проходящий по длинному (и высокоиндуктивному) пути до помехоподавляющих конденсаторов. Это создаёт дополнительные трудноустранимые высокочастотные помехи. Поэтому правильнее размещать силовой ключ на отдельном охладителе. А если радиатор имеет значительную площадь основания, то шумовой ток по паразитной ёмкостной связи (образуемой им с проводниками платы) может проникать и в другие участки схемы. К тому же радиатор может быть хорошим экраном.

Не стоит забывать про цепи управления затвором – там тоже большие скорости dV/dt и пики тока большой амплитуды. Здесь также нужно минимизировать паразитные индуктивности и ёмкости. Амплитуды напряжения здесь не так велики, как на стоке полевого транзистора, но для обеспечения хорошего сигнала управления затвором требуется создать путь с низкой индуктивностью от драйвера к МОП-транзистору, не забывая, конечно, и о возвратном пути.


Ещё один пример схемы с большими dV/dt и di/dt –демпферы (снабберы, поглотители или фиксаторы).

Рассмотрим полный мост.


Здесь работают те же основные правила. Паразитная индуктивность в контурах, обведенных красным и зеленым цветом должна быть сведена к минимуму. Все эти контуры имеют высокие скорости di/dt. Важно максимально уменьшить площадь проводников узлов с высокой скоростью dV/dt (обозначены красными кружками).
Посмотрим ещё на обратноходовую схему.


Эта топология очень популярная и относительно простая. В цепях, выделенных синим и красным цветом протекают пульсирующие токи, поэтому там высокие скорости di/dt. Минимизация паразитной индуктивности в этих цепях очень важна для предотвращения нежелательных выбросов напряжения и потерь мощности. Не стоит забывать и про затворную цепь. Есть здесь и узлы с высокой скоростью изменения напряжения.

Отдельный вопрос, как разделить земли и где их объединять. Как пишет Дмитрий Макашов («Обратноходовой преобразователь»), очень помогает сплошная заливка земляным полигоном – на печатной плате толщиной 1,5мм наличие на противоположной стороне земляного полигона снижает индуктивность проводника примерно в пять раз! (Похожие рекомендации встречаются в даташитах).

Силовой ток не должен проходить по участкам сигнальных цепей во избежание падения напряжения, вредного для чувствительных схем. Распространённый случай – возвратные токи земли, легко сбивающие контроллер.

На первичной стороне помогает разделение земляного полигона на два – под силовой частью, и под сигнальной, и объединение их на конденсаторе питания ШИМ-контроллера. Таким образом мы сохраним индуктивность проводников на минимальном уровне, и избежим наводок на сигнальную часть от падения напряжения при прохождении силового тока. На вторичной стороне также рекомендуется разделять земляной полигон на два – здесь точкой их соединения будет выходной конденсатор.

В другом источнике можно найти такие картинки:




В обоих случаях цепи измерения напряжения (делитель в выходной цепи и съём сигнала с резистора-датчика тока) подключаются именно к тому месту, где нужно измерять напряжение, будто вольтметр. Это позволяет исключить падения напряжения, создаваемые силовыми токами.
Видно, что на второй картинке сигнальная и силовая земли как на первичной, так и на вторичной стороне разделены. Показаны и точки их объединения. Конденсатор питания ШИМ-контроллера в данном случае не показан.

Переходные отверстия также обладают весьма ощутимой индуктивностью, и в силовых цепях желательно ставить несколько в параллель везде где это только возможно (еще лучше вообще их избегать).
Цепи задающего генератора и входа токового сигнала ШИМ-контроллера, цепь обратной связи имеют относительно большое сопротивление и малые уровни сигналов. При близком расположении сигнальных цепей к источнику шума работа контроллера и системы в целом может быть нарушена.



Поэтому чувствительные к шуму сигнальные цепи лучше располагать подальше от источников шума (это уменьшит паразитную ёмкостную связь). Также нужно максимально уменьшить длину сигнальной дорожки с уже отфильтрованным сигналом, чтобы она снова не нахватала помех:



Фильтрующие конденсаторы лучше располагать у самого вывода микросхемы, а где нужно – добавить переходные отверстия на земляной полигон с обратной стороны платы. Такой полигон лучше располагать под сигнальными цепями и под самим контроллером (на сколько это возможно).



Кстати, пады в силовой электронике лучше подключать напрямую к полигону, а не с термобарьером, как на картинке. (Спасибо моему товарищу за подсказку, сразу не заметил).
Использование земляного полигона позволяет уменьшить паразитные сопротивление и индуктивность возвратных путей для токов и улучшить отвод тепла.
Некоторые моменты вызовут скорее проблемы с электромагнитной совместимостью, чем фейерверк, но стоит коротко упомянуть. При размещении элементов фильтра на плате нужно учитывать паразитные связи.



Для уменьшения паразитной связи можно расположить магнитные элементы подальше друг от друга или сориентировать их по-другому. Также рекомендуется использовать сердечники с формами, которые имеют лучшее экранирование.
Паразитная связь может быть и ёмкостной:


Видим, что полигоны Vbat и Vdd располагаются друг над другом на разных слоях. На схеме явно чего-то не хватает, правда?


Шум просто обойдёт индуктивность по паразитному конденсатору Сп. Решается проблема несложно – нужно убрать перекрытие:


Часто такие ошибки допускаются по невнимательности. В одном источнике встретил рекомендацию: чтобы такого не было, лучше обозначать цепи разными цветами. К примеру, землю зелёным, а шумную цепь контрастным цветом – розовым, отфильтрованную жёлтым. Тогда всё будет хорошо видно.


На многослойных платах нужно проверить, чтобы перекрытия не было ни на каком слое. Если шумная и отфильтрованная цепи находятся на разных слоях и перекрываются, но эти слои изолированы друг от друга слоем земли (между ними слой земли), то всё нормально.
Силовой ток не должен обходить конденсатор. То есть, не должно быть участков меди на пути тока кроме вывода конденсатора. Особенно, это относится к керамическим конденсаторам. Недопустима ситуация, когда конденсатор как бы болтается на проводниках между линиями с силовым током.


Вариант 3 вполне приемлем в цепях с небольшими пульсациями тока без резких фронтов, например, так вполне можно ставить конденсатор С9:


Но конденсаторы фильтра (С8 на схеме) обязательно должны ставиться по вариантам 1 или 2, иначе не получится эффективной фильтрации высокочастотных помех. Варианта 4 для силовых схем нужно избегать вообще.
Вот ещё пример плохой разводки, взятый из книги по фильтрам. Переходные отверстия на нижний слой земли расположены рядом, и возвратный ток зашумлённого сигнала будет перекрываться с возвратным током отфильтрованного сигнала.


Это хороший пример того, что будет, если путать понятия «земля» и «путь возвратного тока». Наверное авторы книги думали, что фильтр должен иметь одну землю, игнорируя то, что токи будут протекать вместе по тонким переходным отверстиям.

При выводном монтаже паразитные индуктивности выводов силовых компонентов (обычно это относится к силовому ключу и к выходному диоду) относительно велики, и вместе с паразитными емкостями они образуют неприятные высокочастотные резонансные контуры. Эффективным способом борьбы с паразитными колебаниями на них является надевание ферритовых бусинок (ferrite beads) на выводы компонентов. Но для современного плотного поверхностного монтажа их применение оказывается ненужным – при грамотной разводке платы паразитная индуктивность чрезвычайно мала.

В завершение хочется привести пример того, как не нужно делать прототип (это первичная сторона обратнохода):


Лучше не лениться, и развести нормальную плату. Даже если будут ошибки, то большая часть работы уже будет сделана. Останется только сделать некоторые правки – и можно изготавливать второй вариант.

❯ Выводы.

Хорошая печатная плата значительно повышает шансы успешного запуска и избавляет от ненужных потерь времени в попытках понять, почему не работает или работает нестабильно.

Пункт про разводку платы рассмотрели довольно коротко и сжато. Многое можно добавить, так как тема эта довольно обширная. Мы не рассмотрели моменты, связанные с отводом тепла, с толщиной дорожек (соответствует величине тока), с зазором между дорожками (зависит от напряжения, условий эксплуатации и исполнения платы), вопросы электробезопасности и другое.

Помочь во многих вопросах, связанных с разводкой печатной платы может интересная программка Saturn PCB Design. На сайте easyelectronics есть интересная статья по теме. Рекомендую ознакомится – полезно посмотреть, что программа умеет считать.
На обложке статьи картинка из реальной жизни, без спецэффектов. Но об этом уже в следующей части. Рассмотрим примеры устройств, некоторые хитрости и кое-что ещё…