PCB Nguồn 1: Các Loại, Linh Kiện Chính, và Các Yếu Tố Thiết Kế Quan Trọng

PCB nguồn điện là "lớp xương sống năng lượng" của mọi thiết bị điện tử, từ máy tính đơn giản đến máy MRI cứu mạng.đảm bảo mỗi thành phần (microchips, cảm biến, động cơ) nhận được điện áp và dòng điện chính xác mà nó cần. PCB nguồn điện được thiết kế kém dẫn đến quá nóng, hỏng thiết bị hoặc thậm chí gây ra rủi ro an toàn (ví dụ: mạch ngắn).Với sự gia tăng của các thiết bị năng lượng cao như xe điện và máy chủ trung tâm dữ liệu, hiểu các loại nguồn điện PCB, các thành phần, và các quy tắc thiết kế chưa bao giờ là quan trọng hơn. hướng dẫn này phá vỡ tất cả mọi thứ bạn cần biết để xây dựng đáng tin cậy,PCB cung cấp năng lượng hiệu quả từ việc chọn đúng loại để tối ưu hóa quản lý nhiệt và kiểm soát EMI.

Những điểm quan trọng
1Chọn loại PCB phù hợp: PCB cứng (46,5% thị phần vào năm 2024) cho độ bền, PCB linh hoạt cho thiết bị đeo / thiết bị y tế và PCB đa lớp cho nhu cầu năng lượng cao (ví dụ: trung tâm dữ liệu).
2Các vấn đề lựa chọn nguồn cung cấp điện: Các nguồn cung cấp tuyến tính vượt trội trong các ứng dụng có tiếng ồn thấp, năng lượng thấp (thiết bị âm thanh / y tế), trong khi các nguồn cung cấp năng lượng chuyển mạch (SMPS) cung cấp hiệu quả 70~95% cho nhỏ gọn,Điện tử công suất cao (điện thoại thông minh), máy chủ).
3Các thông số kỹ thuật của thành phần không thể đàm phán: Sử dụng tụ điện với ESR thấp, cảm ứng với dòng bão hòa cao và MOSFET có điện trở thấp để tránh lỗi.
4Thiết kế cho an toàn và hiệu quả: Thực hiện theo IPC-2152 cho chiều rộng dấu vết, sử dụng đường nhiệt / đổ đồng để quản lý nhiệt và thêm các bộ lọc EMI (những hạt ferrite, bộ lọc pi) để giảm tiếng ồn.
5Bảo vệ chống lại các mối nguy hiểm: tích hợp điện áp quá cao, điện quá cao và bảo vệ nhiệt để ngăn ngừa thiệt hại do tăng điện hoặc quá nóng.

PCB cung cấp điện là gì?
PCB là một bảng mạch in chuyên dụng quản lý năng lượng điện cho các thiết bị điện tử. Nó không chỉ cung cấp năng lượng mà còn thực hiện ba chức năng quan trọng:

1Chuyển đổi điện: Thay đổi AC (từ ổ cắm tường) sang DC (đối với điện tử) hoặc điều chỉnh điện áp DC (ví dụ: 12V đến 5V cho một vi mạch).
2. Quy định: Củng cố điện áp / dòng để tránh biến động làm hỏng các thành phần nhạy cảm.
3.Bảo vệ: Bảo vệ mạch khỏi điện áp quá cao, quá điện, mạch ngắn hoặc cực ngược.

Các thành phần cốt lõi của PCB nguồn điện
Mỗi PCB cung cấp năng lượng dựa trên các bộ phận quan trọng để hoạt động, mỗi bộ phận có vai trò cụ thể trong quản lý năng lượng:

Tại sao PCB cung cấp điện quan trọng
PCB cung cấp năng lượng là phần quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện tử nào

1.An toàn: Bảng thiết kế kém gây quá nóng, cháy hoặc sốc điện (ví dụ, nguồn điện bị lỗi trong máy tính xách tay có thể làm tan chảy các thành phần bên trong).
2Độ tin cậy: Sự biến động điện áp hoặc tiếng ồn có thể làm hỏng các chip nhạy cảm (ví dụ, sự cố nguồn cung cấp điện của màn hình y tế gây nguy hiểm cho bệnh nhân).
3Hiệu quả: Các nguồn cung cấp điện không hiệu quả lãng phí năng lượng (ví dụ, nguồn cung cấp tuyến tính trong máy chủ lãng phí 40~70% năng lượng dưới dạng nhiệt, làm tăng chi phí điện).
4.Kích thước: PCB dựa trên SMPS nhỏ hơn 50~70% so với các PCB tuyến tính, cho phép các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại thông minh hoặc thiết bị đeo.

Các loại PCB cung cấp điện: nên chọn loại nào?
PCB cung cấp điện được phân loại theo cấu trúc (cứng, linh hoạt) và số lớp (một mặt, nhiều lớp).và chọn đúng một tránh quá kỹ thuật hoặc thất bại sớm.

1. Theo cấu trúc: cứng, linh hoạt, cứng-chuyển

2.Theo số lớp: Một mặt, hai mặt, nhiều lớp

3. Khảo sát thị trường cho năm 2024
a.PCB cứng: Chi phối do chi phí thấp và tính linh hoạt được sử dụng trong 90% các nguồn cung cấp điện công nghiệp.
b.PCB đa lớp: Phân khúc doanh thu lớn nhất (52% thị trường) vì các thiết bị công suất cao cần các mặt phẳng điện / đất riêng biệt để giảm tiếng ồn.
c. PCB cứng-dẻo: Tăng trưởng nhanh nhất (15~20% CAGR) do nhu cầu về thiết bị đeo và thiết bị y tế.

Mẹo chuyên nghiệp: Đối với các nguồn cung cấp điện trên 50W, sử dụng PCB đa lớp với các mặt phẳng điện / đất chuyên dụng. Điều này làm giảm trở ngại và nhiệt 30%.

Các loại nguồn điện: tuyến tính so với chế độ chuyển đổi
Các mô-đun cung cấp điện là "trái tim" của PCB. Hai loại chính là tuyến tính và chuyển mạch khác nhau về hiệu quả, kích thước và tiếng ồn, vì vậy việc chọn đúng loại là rất quan trọng.

1. Các nguồn điện tuyến tính
Các nguồn cung cấp điện tuyến tính sử dụng một bộ biến áp để giảm điện áp AC, sau đó một bộ điều chỉnh và tụ điện để chuyển đổi nó thành DC trơn tru.

Ưu điểm và nhược điểm

Ứng dụng tốt nhất
a. Thiết bị âm thanh: Microphone, bộ khuếch đại (sự ồn ào làm suy giảm chất lượng âm thanh).
b. Các thiết bị y tế: Máy chụp MRI, máy đo huyết áp (giọng ồn làm gián đoạn các phép đo).
Thiết bị phòng thí nghiệm: Máy nhấp chuột, máy phát tín hiệu (cần nguồn năng lượng ổn định để đọc chính xác).

2. Các nguồn điện chuyển mạch (SMPS)
SMPS sử dụng các MOSFET chuyển đổi nhanh (10kHz1MHz) để chuyển đổi năng lượng.Nó lưu trữ năng lượng trong các cảm ứng / tụ điện và giải phóng nó trong các vụ nổ được kiểm soát. Điều này làm cho nó hiệu quả 70-95% và nhỏ hơn nhiều so với nguồn cung cấp tuyến tính..

Ưu điểm và nhược điểm

Topology SMPS chung (Designs)
SMPS sử dụng các thiết kế mạch khác nhau ("topology") cho các nhu cầu cụ thể:

Ứng dụng tốt nhất
a. Điện tử tiêu dùng: Điện thoại thông minh, TV, máy tính xách tay (cần năng lượng nhỏ, hiệu quả).
b. Trung tâm dữ liệu: Máy chủ, bộ định tuyến (hiệu quả cao giảm chi phí điện).
c.Xe ô tô: Xe điện, hệ thống ADAS (nhiều đầu ra cho cảm biến / động cơ).

3. Đường thẳng so với SMPS: So sánh trực tiếp

Các cân nhắc thiết kế chính cho PCB cung cấp điện
Một nguồn điện PCB tuyệt vời không chỉ là về các thành phần mà còn về bố cục, quản lý nhiệt và bảo vệ.

1. Layout: Giảm thiểu tiếng ồn & kháng cự
Việc bố trí không đúng cách gây ra tiếng ồn, quá nóng và điện áp giảm.

a. Các dấu vết điện ngắn, rộng: Sử dụng IPC-2152 để tính ra chiều rộng dấu vết cho dòng 5A, một dấu vết đồng 2oz cần phải rộng 3mm (so với 6mm cho đồng 1oz).
b. Phân biệt phẳng điện / mặt đất: Phẳng điện chuyên dụng (đối với 12V / 5V) và phẳng mặt đất làm giảm trở kháng giữ chúng liền kề (0,1mm dielectric) để tạo ra dung lượng tự nhiên (phòng lọc tiếng ồn).
c. Đặt các thành phần một cách chiến lược:
Đặt tụ điện đầu vào (các chất điện phân lớn) gần đầu nối điện để làm mịn sóng AC.
Đặt tụ điện tách (0.1μF) trong phạm vi 2mm từ các chân nguồn IC để chặn tiếng ồn tần số cao.
Nhóm các thành phần nóng (MOSFET, bộ điều chỉnh) với nhau để phân tán nhiệt tốt hơn.
d. Tránh các vòng nối đất: Sử dụng một điểm nối đất duy nhất ("đường nối đất sao") cho các mạch analog và kỹ thuật số. Điều này ngăn chặn dòng chảy qua các dấu vết analog nhạy cảm.

2. Chiều rộng và độ dày đồng
Chiều rộng dấu vết xác định lượng điện mà PCB có thể mang lại mà không quá nóng.

a. Độ dày đồng: 2oz đồng (70μm) tốt hơn 1oz (35μm) cho các nguồn cung cấp điện, nó làm giảm kháng 50% và xử lý nhiệt nhiều hơn. Đối với các thiết kế công suất cao (> 20A), sử dụng 3oz đồng (105μm).
b. Các đường nhiệt: Thêm 4 ′′6 đường nhiệt (0,3mm lỗ) dưới các thành phần nóng (ví dụ, MOSFETs) để chuyển nhiệt đến mặt phẳng đất. Điều này làm giảm nhiệt độ thành phần 20 ′′30 °C.

3. Quản lý nhiệt: Ngừng quá nóng
Nhiệt là nguyên nhân số 1 của sự cố nguồn cung cấp điện mỗi 10 ° C tăng nhiệt độ làm giảm một nửa tuổi thọ của thành phần.

a. Chọn vật liệu:
Đối với năng lượng thấp (≤50W): FR-4 (món rẻ, dễ sản xuất).
Đối với công suất cao (> 50W): PCB lõi kim loại ( lõi nhôm / đồng) với độ dẫn nhiệt cao hơn 50-100 lần so với FR-4.
Vật liệu giao diện nhiệt (TIM): Sử dụng TIM thay đổi pha (2,23 W / m · K) giữa các thùng tản nhiệt và các thành phần tốt hơn so với bột nhiệt để có độ tin cậy lâu dài.
b.Thùng thu nhiệt: gắn các thùng thu nhiệt nhôm vào MOSFET và các bộ điều chỉnh kích thước dựa trên mất điện (ví dụ, một thành phần 10W cần một thùng thu nhiệt 50mm × 50mm).
c. Dòng không khí: Hãy để khoảng cách 2 ∼3 mm giữa các thành phần nóng để không khí lưu thông cho các thiết bị kín (ví dụ: máy chủ PSU), thêm quạt để đẩy không khí qua thùng tản nhiệt.
d. Mô phỏng: Sử dụng các công cụ như Ansys Icepak để mô hình hóa lưu lượng nhiệt. Điều này tìm thấy các điểm nóng (ví dụ: khu vực MOSFET đông đúc) trước khi tạo ra nguyên mẫu.

4. EMI Control: Giảm tiếng ồn
SMPS tạo ra nhiễu điện từ (EMI) có thể làm gián đoạn các thiết bị điện tử khác (ví dụ, nguồn cung cấp điện trong bộ định tuyến có thể gây ra sự cố Wi-Fi).

a. Các vòng chuyển mạch nhỏ: Giữ diện tích của mạch chuyển mạch (MOSFET + cảm ứng + tụ càng nhỏ càng tốt)
b.EMI bộ lọc:
Bộ lọc Pi: Đặt tại đầu vào (AC hoặc DC) để lọc tiếng ồn chế độ khác biệt (sử dụng một tụ + cảm ứng + tụ).
Choke chế độ chung: Thêm vào cáp đầu vào / đầu ra để chặn tiếng ồn chế độ chung (ví dụ: tiếng ồn từ lưới điện).
Các hạt Ferrite: Đặt các dấu hiệu tín hiệu gần IC để hấp thụ tiếng ồn tần số cao (100kHz1GHz).
c. Bảo vệ: Sử dụng băng đồng hoặc lon kim loại để bảo vệ các khu vực nhạy cảm (ví dụ, các MOSFET chuyển đổi) ]] điều này tạo ra một lồng Faraday bẫy EMI.
d.Y-capacitors: Kết nối giữa các mặt đất chính và thứ cấp để chuyển hướng tiếng ồn chế độ chung sang mặt đất ∆ sử dụng tụ điện định giá cho 250V AC (tiêu chuẩn an toàn).

5. Các tính năng bảo vệ: Tránh nguy hiểm
Thêm các biện pháp bảo vệ sau đây để ngăn ngừa thiệt hại do điện cao, mạch ngắn hoặc lỗi của người dùng:

a. Bảo vệ quá điện áp (OVP): Sử dụng một mạch Zener diode hoặc bàn đạp để rút ngắn nguồn cung cấp nếu điện áp vượt quá 1,2 lần giá trị định giá (ví dụ, nguồn cung cấp 12V kích hoạt OVP ở 14,4V).
b.Bảo vệ quá điện (OCP): Sử dụng một bộ an toàn (tối đa điện hiện tại 1,5 lần) hoặc eFuse (có thể đặt lại) để cắt điện nếu điện hiện tại quá cao. eFuse tốt hơn cho các thiết bị có thể sử dụng nhiều lần (ví dụ: máy tính xách tay).
c. Bảo vệ cực ngược: Thêm một MOSFET theo chuỗi với đầu vào. Nếu người dùng kết nối nguồn điện ngược lại, MOSFET sẽ tắt, ngăn ngừa hư hại.
d.Tắt nhiệt: Sử dụng cảm biến nhiệt độ (ví dụ, nhiệt đạm NTC) để tắt nguồn cung cấp nếu nhiệt độ vượt quá 85 °C® quan trọng đối với các thiết bị kín (ví dụ: các trung tâm gia đình thông minh).
e. Bảo vệ ESD: Thêm các diode TVS (cắt điện áp tạm thời) trên các chân đầu vào / đầu ra để kẹp các mũi ESD (ví dụ, từ việc chạm người dùng) đến mức an toàn.

Tiêu chuẩn IPC cho PCB cung cấp điện
Thực hiện theo các tiêu chuẩn IPC sau để đảm bảo an toàn, độ tin cậy và khả năng sản xuất:

Ví dụ: PCB cung cấp điện 10A phải tuân theo IPC-2152 để sử dụng một dấu vết đồng 2oz rộng 3,2mm. Điều này đảm bảo dấu vết không quá nóng (≤30 ° C tăng) trong quá trình hoạt động.

Câu hỏi thường gặp
1Khi nào tôi nên sử dụng nguồn điện tuyến tính thay vì SMPS?
Sử dụng các nguồn cung cấp tuyến tính cho các ứng dụng có sức mạnh thấp (< 50W), nhạy cảm với tiếng ồn (ví dụ: bộ khuếch đại âm thanh, màn hình y tế).máy chủ) nơi hiệu quả và kích thước quan trọng.

2Làm thế nào để tôi tính ra chiều rộng đúng cho nguồn cung cấp năng lượng của tôi?
Sử dụng hướng dẫn IPC-2152 hoặc máy tính trực tuyến (ví dụ: Bộ công cụ PCB).Ví dụ:, 5A với 2oz đồng cần một dấu vết rộng 1,6mm.

3Cách tốt nhất để giảm EMI trong một SMPS PCB là gì?
a. Giữ các vòng chuyển đổi nhỏ (MOSFET + cảm ứng + tụy).
b. Thêm một bộ lọc pi tại đầu vào và một nút thắt thông thường trên cáp.
c. Sử dụng một tấm chắn kim loại xung quanh các thành phần chuyển đổi.
d. Đặt Y-capacitors giữa cơ sở chính và cơ sở thứ cấp.

4Tại sao PCB cung cấp năng lượng cần đường dẫn nhiệt?
Các đường dẫn nhiệt chuyển nhiệt từ các thành phần nóng (ví dụ, MOSFET) đến mặt đất, hoạt động như một thùng tản nhiệt. Điều này làm giảm nhiệt độ của các thành phần xuống còn 20-30 ° C, tăng gấp đôi tuổi thọ của chúng.

5Các tính năng bảo vệ nào là không thể thương lượng cho một PCB cung cấp điện?
a. Bảo vệ điện áp quá cao (OVP): Ngăn chặn điện áp tăng từ các thành phần bị hư hại.
b.Bảo vệ quá dòng (OCP): Ngăn chặn mạch ngắn gây cháy.
c. Tắt nhiệt: Ngăn ngừa quá nóng trong các thiết bị kín.
Bảo vệ cực ngược: Tránh thiệt hại do kết nối điện không chính xác.

Kết luận
PCB cung cấp năng lượng là những anh hùng vô danh của điện tử, chúng giữ cho các thiết bị an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy.nguồn cung cấp điện (đường thẳng cho tiếng ồn thấp), SMPS cho hiệu quả), và theo các quy tắc thiết kế nghiêm ngặt (chiều rộng dấu vết, quản lý nhiệt, kiểm soát EMI).

Bằng cách ưu tiên các tiêu chuẩn IPC, sử dụng các thành phần chất lượng cao (các tụ điện ESR thấp, các cảm ứng bão hòa cao) và thêm các tính năng bảo vệ, bạn sẽ xây dựng các PCB cung cấp điện kéo dài trong nhiều năm.Cho dù bạn đang thiết kế một bộ sạc điện thoại 5W hoặc một 500W máy chủ PSU, các nguyên tắc trong hướng dẫn này áp dụng tập trung vào an toàn, hiệu quả và khả năng sản xuất.

Khi các thiết bị điện tử trở nên mạnh mẽ hơn (ví dụ: xe điện, máy chủ AI), PCB cung cấp năng lượng sẽ chỉ tăng tầm quan trọng.và lãng phí năng lượng sau đóHãy nhớ: một nguồn cung cấp điện PCB tuyệt vời không chỉ cung cấp năng lượng mà còn mang lại sự bình yên tâm trí.