A tápfeszültség csökkenésének minimalizálása a nyomtatott áramköri lapokon

Annak érdekében, hogy a megadott tápfeszültséget a mai nagyfeszültségű, kisfeszültségű NYÁK-ok terheléséhez juttassák, a tervezőknek minimalizálniuk kell az IR-esést a rendelkezésre álló megoldások és kompromisszumaik megértésével.

Az alacsony fogyasztású alkatrészek széles körű rendelkezésre állása és használata ellenére a mai nyomtatott áramköri lapok (PCB-k) jelentős mennyiségű áramot igényelhetnek, az alaplapok 50, 100, sőt 200 A-os áramot is kihasználnak. Amikor az áramot terhelésre juttatják, IR-alapú feszültségesés következik be, és a tervezőknek ezt a veszteséget figyelembe kell venniük a tábla elhelyezésénél, valamint az ellátás, az egyenáramú tápvezeték sínek és a terhelések elhelyezésénél.

A következetes és megbízható működés érdekében fontos biztosítani, hogy ez a csökkenés ne nyomja meg ezeket az egyenáramú sínfeszültségeket a minimális/maximális sáv alsó végéig. Általában plusz/mínusz a névleges érték néhány százaléka.

A számok gyors áttekintése tisztázza a kihívást. Normál „1 oz.” a réz (úgynevezett, mert négyzetlábonként 1 oz. súlyú) egy PCB-laminátumon, például az FR-4-nél 35 um vastagságú; 2 oz. a réz természetesen kétszer olyan vastag, a „vékony” réz pedig fele vastagabb. 1 oz felhasználásával. réz például: egy 10 cm hosszú, 1 mm széles nyomnak kb. 50 m az ellenállása) (a réz ellenállása 20 ° C-on 1,74 × 10 -8 Ω⋅m). Ehhez sok praktikus online ellenállási kalkulátor található, például a Trance-Catnél (1. ábra).

áramellátási
1. Mindössze egy egyszerű méretrajz és képlet szükséges a PCB nyomellenállásának és ezáltal az IR-esés kiszámításához. Számos online számológép áll rendelkezésre, hogy triviális feladat legyen. 04.30 Forrás: Trance-Cat

Ha ezen a nyomon 10 A-t szállít, az IR-csökkenés körülbelül 500 mV (0,5 V), ami jelentős. Ez azt jelenti, hogy az egyenáramú sín a terhelésnél fél volttal alacsonyabb, mint az ellátásnál, és van pazarolt energia (I 2 R) és a kísérő hőelvezetés is. Vegye figyelembe, hogy a csökkenés nem a sín névleges feszültségértékének függvénye - csak az áramtól és az ellenállástól függ. Ezért egy 15 V-os sín ugyanazt a veszteséget látja, mint egy 3 V-os sín, de az arányos veszteség sokkal nagyobb az alacsonyabb feszültségnél.

A helyzet még rosszabbá válhat. Egyes tervek alacsony ellenállású földsíkot (gyakran különálló NYÁK-rétegként) használnak mind az analóg, mind a digitális jelek földjeihez, valamint az egyenáramú teljesítmény-visszatérő földhöz. Számos terv azonban előnyös (vagy megkövetel) külön földi utat a jelek és a földi föld számára a zaj minimalizálása érdekében, és akár külön egyenáramú visszatérési utat is használhat. Ilyen esetekben az IR-esés gyakorlatilag megduplázódik, egy csepp a tápkimeneti sín betöltéséhez, és egy második csökkenés az áram terheléshez való visszatéréséhez.

IR csepp leküzdése

A tervezőknek több lehetőségük van az IR-csökkenés minimalizálására:

  • Használjon nagyobb feszültségű egyenáramú sínt, például 48 V-os vagy 12/12 V-os egyenáramot egy köztes busz-átalakító (IBC) elrendezésben, majd használjon több helyi, terheléses (PoL) egyenáramú-egyenáramú átalakítót, amely közel van a a megfelelő terhelések. Ez megoldja az IR-esés problémáját (és nagymértékben csökkenti a zajfelvételt a síneken is), de több egyenáramú-egyenáramú átalakító és NYÁK-ingatlan költsége. Ennek ellenére széles körben használt és hatékony megoldás.
  • Állítsa be a névleges egyenáramú tápértéket az IR csökkenés előzetes kompenzálásához. Ez egy kissé hatékony „megoldás”, de bizonyos kockázatokat is rejt magában.

-- Egyes egyébként nagyon jó vagy előnyben részesített kellékek nem állíthatók, ezért ezeket figyelmen kívül kell hagyni.

-- Ha a terhelés áramigénye csökken használat közben (mint szinte mindig), akkor az IR csökkenés is csökken, és a tápellátás túl magas sínfeszültséget eredményezhet.

-- Ha a tápegységet ki kell cserélni a terepen, előfordulhat, hogy a cserét nem a kompenzált feszültségre állítják be, vagy nem megfelelően állítják be, ami nem működő áramkörhöz vagy szakaszos áramkörhöz vezet.

  • Használjon távérzékelést, a Kelvin-érzékelés egyik változatát, amelyet egyes kellékek támogatnak. A tápegységnek két további vezetéke van, így érzékeli a terhelés feszültségét, és dinamikusan beállítja a kimenetét, hogy az IR csökkenés és a terheléseltolódások ellenére is fenntartsa ezt az értéket. Ez hatékony, de hátrányai is vannak:

-- Az érzékelő visszacsatoló hurok dinamikus válasza nem biztos, hogy elég gyors a kompenzációhoz, vagy túl gyors, túlhalad és oszcillál.

-- Az érzékelő vezetékek egy fizikailag nagy visszacsatolási hurkot alkotnak, amely felveheti a rendszer zaját, és ezáltal a tápegység rosszul olvashatja az érzékelt értéket; ez megint a tápvezeték oszcillációját indukálhatja.

Fontolja meg az egyéb megoldásokat

Mindezek a lehetőségek használatban vannak, és mindegyik jól meghatározott és ellenőrzött körülmények között működhet, de mindannyian "megkerülő megoldások" és "javítások" azok a technikailag jobb és robusztusabb megoldások, amelyek minimalizálják a csökkenést elsősorban . Ismét vannak lehetőségek és kompromisszumok:

A gyűjtősínek vastagsága, magassági rétege, csapok távolsága és hosszúsága széles. Például az E-Fab által kínált egyik gyűjtősínnek két szigetelővel elválasztott rézrétege van (2. ábra). A rétegek lépcsőzetes NYÁK-tűkonfigurációval rendelkeznek, így a csapok váltakozzák az energiát és a földet.

2. A gyűjtősínek elenyészővé tehetik az infravörös infravörös hatást, miközben szinte nincs szükség tábla területre. A PCB-t is megmerevítik a hajlítás ellen, ezt a szempontot először gyakran figyelmen kívül hagyják (de nem szabad). (Forrás: E-Fab Inc.)

A gyűjtősínek további „ingyenes” előnyt nyújtanak: merevítik a nyomtatott áramköri lapot a hajlítás ellen, ami nagyobb tábláknál vagy a vibrációs környezetben (mil/aero, autóipar és még sokan mások) megfontolandó. Egyes kialakítások gyűjtősínt csak nagyobb áramú terheléseknél használnak, például MOSFET vagy IBGT. Ez csökkenti a szerény költségeket és megkönnyíti az elrendezési problémákat (ha vannak ilyenek), amelyek maximalizálják a hatékonyságot.

Kizárólag elektromos szempontból annak biztosítása, hogy a tápegység teljes névleges feszültsége eléri a terhelést, és ezt jelentéktelen infravörös feszültségveszteséggel vagy I 2 R teljesítmény disszipációval tegye, elengedhetetlen a megbízható, nem szakaszos teljesítményhez. A kérdés minden megoldásának kompromisszuma van, és nincs egyetlen legjobb válasz, de gondosan meg kell érteni és értékelni kell a hátrányait.