Circuit imprimé d'alimentation 1 : types, composants principaux et considérations de conception clés

Les circuits imprimés d'alimentation sont l'épine dorsale de chaque appareil électronique, d'une simple calculatrice à une machine d'IRM qui sauve des vies.Il s'agit d'un outil qui permet d'assurer que chaque composant (microchips)Un circuit imprimé mal conçu entraîne une surchauffe, une défaillance de l'appareil ou même des risques de sécurité (par exemple, un court-circuit).Avec la montée des appareils de haute puissance comme les voitures électriques et les serveurs de centres de données, comprendre les types de circuits imprimés d'alimentation, les composants et les règles de conception n'a jamais été aussi critique.l'efficacité de l'alimentation électrique des PCBs, du choix du bon type à l'optimisation de la gestion thermique et du contrôle des EMI.

Les principaux enseignements
1.Choisissez le bon type de PCB: PCB rigides (46,5% de part de marché en 2024) pour la résistance, PCB flexibles pour les appareils portables/appareils médicaux et PCB multicouches pour les besoins en puissance élevée (par exemple, centres de données).
2.Les questions de sélection de l'alimentation électrique: les alimentations linéaires excèlent dans les applications à faible bruit et à faible puissance (appareils audio/médicaux), tandis que les alimentations en mode commutateur (SMPS) offrent une efficacité de 70 à 95% pour les appareils compacts,électronique de haute puissance (téléphones intelligents), serveurs).
3Les spécifications des composants ne sont pas négociables: Utilisez des condensateurs à faible ESR, des inducteurs à courant de saturation élevé et des MOSFET à faible résistance pour éviter les pannes.
4.Conception pour la sécurité et l'efficacité: Suivez l'IPC-2152 pour la largeur des traces, utilisez des voies thermiques / des versements de cuivre pour gérer la chaleur et ajoutez des filtres EMI (perles de ferrite, filtres pi) pour réduire le bruit.
5.Protection contre les dangers: intégrer la surtension, le sur courant et la protection thermique pour éviter les dommages causés par des pics de puissance ou une surchauffe.

Qu'est-ce qu'un PCB d'alimentation électrique?
Un circuit imprimé est une carte de circuit imprimé spécialisée qui gère l'énergie électrique pour les appareils électroniques.

1.Conversion de puissance: modifie le courant alternatif (de prises murales) en courant continu (pour l'électronique) ou ajuste la tension continue (par exemple, de 12V à 5V pour une puce).
2.Régulation: stabilise la tension/courant pour éviter les fluctuations qui endommagent les composants sensibles.
3.Protection: protège les circuits contre la surtension, le sur courant, les courts-circuits ou la polarité inverse.

Composants de base d'un PCB d'alimentation électrique
Chaque circuit imprimé d'alimentation repose sur des parties clés pour fonctionner, chacune ayant un rôle spécifique dans la gestion de l'alimentation:

Pourquoi les PCB sont importants
Un circuit imprimé d'alimentation est la partie la plus critique de tout appareil électronique, sa conception a un impact direct:

1.Sécurité: les cartes mal conçues provoquent une surchauffe, des incendies ou des chocs électriques (par exemple, une alimentation défectueuse dans un ordinateur portable peut faire fondre les composants internes).
2Fiabilité: les fluctuations de tension ou le bruit peuvent provoquer des pannes de puces sensibles (par exemple, une panne d'alimentation d'un moniteur médical met les patients en danger).
3Efficacité: Les sources d'alimentation inefficaces gaspillent de l'énergie (par exemple, une alimentation linéaire dans un serveur gaspille 40 à 70% de l'énergie sous forme de chaleur, ce qui augmente les coûts d'électricité).
4.Taille: les PCB basés sur SMPS sont 50 à 70% plus petits que les PCB linéaires, ce qui permet d'utiliser des appareils compacts tels que les smartphones ou les appareils portables.

Les types de PCB d'alimentation: lequel choisir?
Les PCB d'alimentation sont classés par structure (rigide, flexible) et nombre de couches (unilatérale, multicouche).et choisir le bon évitera la sur-ingénierie ou l'échec précoce.

1Par structure: rigide, souple, rigide-flexible

2.Par nombre de couches: à une face, à double face, à plusieurs couches

3Perspectives du marché pour 2024
a.PCB rigides: dominants en raison de leur faible coût et de leur polyvalence, utilisés dans 90% des alimentations industrielles.
b.PCB multicouches: le segment de revenus le plus important (52% du marché) car les appareils à haute puissance ont besoin de plans de puissance et de mise à la terre séparés pour réduire le bruit.
c.PCB rigide-flexe: la croissance la plus rapide (15 à 20% CAGR) est tirée par la demande de dispositifs portables et médicaux.

Astuce professionnelle: pour les alimentations supérieures à 50 W, utilisez des PCB multicouches avec des plans d'alimentation / mise à la terre dédiés. Cela réduit l'impédance et la chaleur de 30%.

Types d'alimentation: linéaire ou en mode commutateur
Le module d'alimentation est le "cœur" du PCB. Les deux principaux types de circuits linéaires et de circuits de commutation diffèrent par leur efficacité, leur taille et leur bruit, il est donc essentiel de choisir le bon.

1. Fournitures d'alimentation linéaires
Les alimentations linéaires utilisent un transformateur pour réduire la tension CA, puis un redresseur et un condensateur pour la convertir en courant continu lisse.

Les avantages et les inconvénients

Les meilleures applications
a.Équipement audio: microphones, amplificateurs (le bruit nuit à la qualité du son).
b.Appareils médicaux: appareils d'IRM, moniteurs de pression artérielle (le bruit perturbe les mesures).
c. Équipement de laboratoire: oscilloscopes, générateurs de signaux (nécessite une puissance stable pour des lectures précises).

2. Les sources d'alimentation en mode commutateur (SMPS)
SMPS utilise des MOSFET à commutation rapide (10 kHz 1 MHz) pour convertir la puissance.Il stocke de l'énergie dans des inducteurs/condensateurs et la libère en rafales contrôlées, ce qui le rend efficace de 70 à 95% et beaucoup plus petit que les alimentations linéaires..

Les avantages et les inconvénients

Topologies SMPS communes (conceptions)
SMPS utilise différentes conceptions de circuits ("topologies") pour des besoins spécifiques:

Les meilleures applications
a.Électronique grand public: smartphones, téléviseurs, ordinateurs portables (besoin de puissance réduite et efficace).
b.Centres de données: serveurs, routeurs (efficacité élevée réduit les coûts d'électricité).
c.Automobile: voitures électriques, systèmes ADAS (sorties multiples pour capteurs/moteurs).

3. Linière contre SMPS: Comparaison tête à tête

Principales considérations de conception pour les PCB d'alimentation
Un excellent circuit imprimé d'alimentation n'est pas seulement une question de composants, il s'agit de disposition, de gestion thermique et de protection.

1. Layout: réduire le bruit et la résistance
Une mauvaise disposition provoque du bruit, une surchauffe et des baisses de tension.

a. Traces de puissance courtes et larges: Utilisez IPC-2152 pour calculer la largeur de la trace pour le courant 5A, une trace de cuivre de 2 oz doit être large de 3 mm (contre 6 mm pour le cuivre de 1 oz).
b.Plaines de puissance/terrain séparées: les plans de puissance dédiés (pour les 12 V/5 V) et les plans de terre réduisent l'impédance et les maintiennent adjacents (0,1 mm diélectrique) pour créer une capacité naturelle (filtre le bruit).
c. Placer les composants stratégiquement:
Mettez des condensateurs d'entrée (grands électrolytes) près du connecteur d'alimentation pour lisser l'ondulation CA.
Placer les condensateurs de découplage (0,1 μF) à moins de 2 mm des broches d'alimentation du CI pour bloquer le bruit à haute fréquence.
Grouper les composants chauds (MOSFET, régulateurs) pour une meilleure dissipation de chaleur.
d.Évitez les boucles de mise à la terre: Utilisez un seul point de mise à la terre ("star grounding") pour les circuits analogiques et numériques. Cela empêche le courant de circuler à travers des traces analogiques sensibles.

2. Largeur de trace et épaisseur de cuivre
La largeur de trace détermine la quantité de courant que le PCB peut transporter sans surchauffe.

a.Épaisseur du cuivre: 2 oz de cuivre (70 μm) sont meilleurs que 1 oz (35 μm) pour les alimentations électriques, réduisant la résistance de 50% et gérant plus de chaleur. Pour les conceptions à haute puissance (> 20 A), utilisez 3 oz de cuivre (105 μm).
b.Via thermiques: ajouter 4 ∼6 vias thermiques (0,3 mm de trou) sous les composants chauds (par exemple, les MOSFET) pour transférer la chaleur vers le plan au sol, ce qui abaisse la température des composants de 20 ∼30 °C.

3Gestion thermique: arrêt de surchauffe
La chaleur est la première cause de défaillance de l'alimentation électrique, chaque augmentation de 10°C de température réduit de moitié la durée de vie des composants.

a.Sélection des matériaux:
Pour une faible puissance (≤ 50 W): FR-4 (bon marché et facile à fabriquer).
Pour la haute puissance (> 50 W): PCB à noyau métallique (noyau aluminium/cuivre) dont la conductivité thermique est 50 à 100 fois supérieure à celle du FR-4.
Matériau d'interface thermique (TIM): utilisez un TIM de changement de phase (2,23 W/m·K) entre les dissipateurs de chaleur et les composants, mieux que la pâte thermique pour une fiabilité à long terme.
b. dissipateurs de chaleur: fixer des dissipateurs de chaleur en aluminium aux MOSFET et régulateurs  les dimensionner en fonction de la perte de puissance (par exemple, un composant de 10 W a besoin d'un dissipateur de chaleur de 50 mm × 50 mm).
c. Flux d'air: laisser des espaces d'environ 2 mm entre les composants chauds pour permettre la circulation de l'air pour les appareils fermés (par exemple, serveurs PSU), ajouter des ventilateurs pour pousser l'air sur les dissipateurs de chaleur.
d.Simulation: Utiliser des outils tels que Ansys Icepak pour modéliser le flux de chaleur, ce qui permet de trouver des points chauds (par exemple, une zone MOSFET bondée) avant de créer un prototype.

4Contrôle EMI: réduire le bruit
SMPS génère des interférences électromagnétiques (EMI) qui peuvent perturber d'autres appareils électroniques (par exemple, une alimentation dans un routeur peut causer des pannes Wi-Fi).

a. Petites boucles de commutation: maintenir la surface du circuit de commutation (MOSFET + inducteur + condensateur) aussi petite que possible, ce qui réduit l'EMI rayonnant de 40%.
b.filtres EMI:
Filtres Pi: Placer à l'entrée (CA ou CC) pour filtrer le bruit différentiel (utiliser un condensateur + inducteur + condensateur).
Étouffements de mode commun: ajoutés aux câbles d'entrée/sortie pour bloquer le bruit de mode commun (par exemple, le bruit du réseau électrique).
Perles de ferrite: placer des traces de signal près des circuits intégrés pour absorber le bruit à haute fréquence (100kHz ∼1GHz).
c. Écran: utiliser du ruban adhésif en cuivre ou des canettes métalliques pour protéger les zones sensibles (par exemple, les MOSFET de commutation), ce qui crée une cage de Faraday qui emprisonne l'EMI.
d.condensateurs Y: connectez les surfaces primaires et secondaires pour détourner le bruit du mode commun vers les condensateurs à usage terrestre de 250 V CA (norme de sécurité).

5Caractéristiques de protection: éviter les dangers
Ajoutez ces mesures de protection pour éviter les dommages causés par des pics de puissance, des courts-circuits ou des erreurs de l'utilisateur:

a.Protection contre la surtension (OVP): utiliser un diode Zener ou un circuit à pédale de frein pour raccourcir l'alimentation si la tension dépasse 1,2 fois la valeur nominale (par exemple, une alimentation de 12 V déclenche l'OVP à 14,4 V).
b.Protection contre les surtensions (OCP): Utilisez un fusible (1,5 fois le courant maximal) ou un fusible électrique (réinitialisable) pour couper l'alimentation si le courant est trop élevé. Les fusibles électriques sont préférables pour les appareils réutilisables (par exemple, les ordinateurs portables).
c. Protection contre la polarité inverse: ajouter un MOSFET en série avec l'entrée. Si l'utilisateur branche l'alimentation à l'envers, le MOSFET s'éteint, évitant ainsi les dommages.
d.Arrêt thermique: utiliser un capteur de température (par exemple, un thermistore NTC) pour arrêter l'alimentation si la température dépasse 85°C, ce qui est critique pour les appareils fermés (par exemple, les hubs domestiques intelligents).
e. Protection contre les ESD: ajouter des diodes TVS (suppresseurs de tension transitoires) sur les broches d'entrée/sortie pour fixer les pointes ESD (par exemple, par contact avec l'utilisateur) à des niveaux sûrs.

Normes IPC pour les PCB d'alimentation électrique
Suivez ces normes IPC pour assurer la sécurité, la fiabilité et la fabrication:

Exemple: un circuit imprimé d'alimentation de 10 A doit respecter la norme IPC-2152 pour utiliser une trace de cuivre de 2 onces de 3,2 mm de large. Cela garantit que la trace ne surchauffe pas (augmentation de ≤ 30 °C) pendant le fonctionnement.

Questions fréquentes
1Quand dois-je utiliser une alimentation linéaire au lieu de SMPS?
Utiliser des alimentations linéaires pour les applications à faible puissance (< 50 W), sensibles au bruit (par exemple, amplificateurs audio, moniteurs médicaux).Les résultats de l'étude ont montré que les.

2Comment calculer la bonne largeur de trace pour mon alimentation?
Utilisez les lignes directrices IPC-2152 ou des calculatrices en ligne (par exemple, le kit d'outils PCB).Par exemple, 5A avec 2 onces de cuivre a besoin d'une trace de 1,6 mm de large.

3. Quelle est la meilleure façon de réduire l'EMI dans un SMPS PCB?
a. Gardez les boucles de commutation réduites (MOSFET + inducteur + condensateur).
b. Ajouter un filtre pi à l'entrée et un étouffant à mode commun sur les câbles.
c. Utiliser un bouclier métallique autour des composants de commutation.
d.Placez les condensateurs Y entre les fondations primaires et secondaires.

4Pourquoi les circuits imprimés à alimentation électrique ont-ils besoin de voies thermiques?
Les voies thermiques transfèrent la chaleur des composants chauds (par exemple, les MOSFET) vers le plan au sol, qui agit comme un dissipateur de chaleur. Cela abaisse la température des composants de 20 à 30 ° C, doublant leur durée de vie.

5Quelles caractéristiques de protection ne sont pas négociables pour un PCB d'alimentation?
a. Protection contre les surtensions (OVP): empêche les pics de tension d'endommager les composants.
b.Protection contre les surtensions (OCP): empêche les courts-circuits de provoquer des incendies.
c. Éteinte thermique: empêche la surchauffe des dispositifs fermés.
d. Protection contre la polarité inverse: évite les dommages dus à une connexion d'alimentation incorrecte.

Conclusion
Les circuits imprimés d'alimentation sont les héros méconnus de l'électronique: ils assurent la sécurité, l'efficacité et la fiabilité des appareils.alimentation électrique (linéaire pour un faible bruit), SMPS pour l'efficacité) et en suivant des règles de conception strictes (largeur de trace, gestion thermique, contrôle EMI).

En donnant la priorité aux normes IPC, en utilisant des composants de haute qualité (condensateurs à faible ESR, inducteurs à haute saturation) et en ajoutant des fonctions de protection, vous construirez des circuits imprimés d'alimentation qui durent des années.Que vous conceviez un chargeur de téléphone de 5W ou une alimentation de serveur de 500W, les principes du présent guide s'appliquent, en mettant l'accent sur la sécurité, l'efficacité et la fabrication.

L'importance des circuits imprimés électriques ne fera qu'augmenter à mesure que les appareils électroniques deviendront plus puissants (par exemple, les voitures électriques, les serveurs d'IA), et l'investissement dans une conception adéquate vous évitera des rappels coûteux, des pannes, des défaillances, des défaillances, des défaillances et des défaillances.et gaspillez de l'énergie plus tardN'oubliez pas qu'un excellent circuit imprimé n'apporte pas seulement de l'énergie, mais aussi la tranquillité d'esprit.