Netzteil-Leiterplatte 1: Typen, Kernkomponenten und wichtige Designaspekte

Stromversorgungsplatten sind das "Energie-Rückgrat" jedes elektronischen Geräts, von einem einfachen Taschenrechner bis hin zu einem lebensrettenden MRT-Gerät.Sicherstellung jeder Komponente (Mikrochips)Eine schlecht konzipierte Stromversorgung führt zu Überhitzung, Geräteversagen oder sogar Sicherheitsgefahren (z. B. Kurzschluss).Mit dem Aufkommen von leistungsstarken Geräten wie Elektroautos und Rechenzentrumsservern, das Verständnis von Stromversorgung PCB-Typen, Komponenten und Designregeln war noch nie so wichtig.Wird die Energieeffizienz von PCBs erhöht, wird die Energieeffizienz von PCBs erhöht, von der Wahl des richtigen Typs bis zur Optimierung des thermischen Managements und der EMI-Kontrolle..

Wichtige Erkenntnisse
1.Wählen Sie den richtigen PCB-Typ aus: starre PCB (46,5% Marktanteil im Jahr 2024) für die Festigkeit, flexible PCB für Wearables/Medizinprodukte und mehrschichtige PCB für hohe Leistungsbedürfnisse (z. B. Rechenzentren).
2.Stromversorgungsauswahl: Lineare Stromversorgungen zeichnen sich bei geringen Geräuschen und geringer Leistung aus (Audio-/medizinische Geräte), während Switch-Mode-Stromversorgungen (SMPS) einen Wirkungsgrad von 70-95% für kompakte Geräte bieten.Hochleistungselektronik (Smartphones), Server).
3.Komponenten sind nicht verhandelbar: Verwenden Sie Kondensatoren mit niedrigem ESR, Induktoren mit hohem Sättigungsstrom und MOSFETs mit niedrigem Widerstand, um Ausfälle zu vermeiden.
4.Design für Sicherheit und Effizienz: Befolgen Sie IPC-2152 für die Spurenbreite, verwenden Sie thermische Durchläufe/Kupfergüsse zur Wärmemanagement und fügen Sie EMI-Filter (Ferritperlen, Pi-Filter) hinzu, um Lärm zu reduzieren.
5.Schutz vor Gefahren: Integrieren Sie Überspannung, Überstrom und thermischen Schutz, um Schäden durch Stromspitzen oder Überhitzung zu vermeiden.

Was ist ein Stromversorgungs-PCB?
Eine Stromversorgung ist ein spezialisiertes Leiterplattenwerk, das elektrische Energie für elektronische Geräte verwaltet.

1.Leistungsumwandlung: Wechseln von AC (von Steckdosen) zu DC (für Elektronik) oder Anpassung der Gleichspannung (z. B. 12V auf 5V für einen Mikrochip).
2Regulierung: Stabilisiert Spannung/Strom, um Schwankungen zu vermeiden, die empfindliche Komponenten beschädigen.
3.Schutz: Schützt Schaltkreise vor Überspannung, Überstrom, Kurzschluss oder umgekehrter Polarität.

Kernkomponenten einer Stromversorgung
Jede Stromversorgungsanlage beruht auf Schlüsselteilen, die jeweils eine spezifische Rolle beim Strommanagement spielen:

Warum PCBs für Stromversorgung wichtig sind
Ein Stromversorgungskonto ist der wichtigste Teil eines jeden elektronischen Geräts.

1.Sicherheit: Schlecht konstruierte Platten verursachen Überhitzung, Brände oder elektrische Schocks (z. B. kann eine fehlerhafte Stromversorgung in einem Laptop interne Komponenten schmelzen).
2Zuverlässigkeit: Spannungsschwankungen oder Lärm können empfindliche Chips abstürzen (z. B. stellt ein Ausfall der Stromversorgung eines medizinischen Monitors Patienten in Gefahr).
3.Effizienz: Ineffiziente Stromversorgungen verschwenden Energie (z.B. eine lineare Stromversorgung in einem Server verschwendet 40~70% der Energie als Wärme, was die Stromkosten erhöht).
4.Größe: SMPS-basierte Leiterplatten sind 50~70% kleiner als lineare Leiterplatten, was kompakte Geräte wie Smartphones oder Wearables ermöglicht.

PCB-Typen für Stromversorgung: Welche wählen?
Stromversorgungsplatten werden nach Struktur (starre, flexible) und Schichtzahl (einseitig, mehrschichtig) kategorisiert.und die richtige Wahl vermeidet Überbau oder frühes Versagen..

1. nach Struktur: starre, flexible, starre-flexible

2.Nach Anzahl der Schichten: Einseitig, doppelseitig, mehrschichtig

3. Marktprognosen für 2024
a.Rigid PCBs: Sie dominieren aufgrund ihrer geringen Kosten und Vielseitigkeit in 90% der industriellen Stromversorgungen.
b.Mehrschichtliche Leiterplatten: Größtes Umsatzsegment (52% des Marktes), da Hochleistungsgeräte separate Leistungs- und Bodenbereiche zur Lärmreduzierung benötigen.
c.Rigid-Flex-PCBs: Das schnellste Wachstum (15~20% CAGR) wird durch die Nachfrage nach tragbaren und medizinischen Geräten getragen.

Pro Tipp: Für Stromversorgungen über 50 W verwenden Sie mehrschichtige Leiterplatten mit speziellen Strom-/Boden-Ebenen. Dies reduziert Impedanz und Wärme um 30%.

Stromversorgungsarten: Linear oder Switch-Mode
Das Stromversorgungsmodul ist das "Herz" der Leiterplatte.

1. Lineare Stromversorgungen
Lineare Stromversorgungen verwenden einen Transformator, um die Wechselspannung zu senken, dann einen Geradrichter und einen Kondensator, um sie in glatte Gleichspannung umzuwandeln.

Vor- und Nachteile

Die besten Anwendungen
a.Audiogeräte: Mikrofone, Verstärker (Lärm beeinträchtigt die Klangqualität).
b.Medizinische Geräte: MRT-Geräte, Blutdruckmessgeräte (Geräusche stören die Messungen).
c. Laborausrüstung: Oszilloskope, Signalgeneratoren (erfordert eine stabile Leistung für genaue Messwerte).

2. Stromversorgung im Schaltmodus (SMPS)
SMPS verwendet schnellschaltende MOSFETs (10kHz1MHz) zur Umwandlung der Leistung.Es speichert Energie in Induktoren/Kondensatoren und setzt sie in kontrollierten Ausbrüchen frei. Dies macht es zu 70-95% effizient und viel kleiner als lineare Versorgungen..

Vor- und Nachteile

Gemeinsame SMPS-Topologien (Entwürfe)
SMPS verwendet unterschiedliche Schaltkreisentwürfe ("Topologien") für spezifische Bedürfnisse:

Die besten Anwendungen
a.Verbraucherelektronik: Smartphones, Fernseher, Laptops (kleine und effiziente Leistung benötigt).
b.Rechenzentren: Server, Router (hohe Effizienz senkt die Stromkosten).
c.Automotive: Elektroautos, ADAS-Systeme (mehrere Ausgänge für Sensoren/Motoren).

3. Linear vs. SMPS: Kopf-an-Kopf-Vergleich

Wichtige Konstruktionsüberlegungen für Stromversorgungspcbs
Bei einer guten Stromversorgung geht es nicht nur um Komponenten, sondern auch um Layout, thermisches Management und Schutz.

1Layout: Minimieren von Lärm und Widerstand
Ein schlechtes Layout verursacht Lärm, Überhitzung und Spannungsabfälle.

a.Kurze, breite Stromspuren: Verwenden Sie IPC-2152 zur Berechnung der Spurenbreite für 5A-Strom, eine 2oz Kupferspur muss 3mm breit sein (gegenüber 6mm für 1oz Kupfer).
b. getrennte Leistungs-/Boden-Ebenen: dedizierte Leistungs- (für 12V/5V) und Boden-Ebenen reduzieren die Impedanz und halten sie nahe beieinander (0,1 mm dielektrisch), um eine natürliche Kapazität zu erzeugen (filtern Lärm).
c. Komponenten strategisch platzieren:
Setzen Sie Eingangskondensatoren (große Elektrolyse) in der Nähe des Stromanschlusses, um die Wechselstromwelle zu glätten.
Die Entkopplungskondensatoren (0,1 μF) sind innerhalb von 2 mm von den IC-Power-Pins zu platzieren, um Hochfrequenzlärm zu blockieren.
Gruppen heiße Komponenten (MOSFETs, Regulatoren) zusammen, um eine bessere Wärmeableitung zu erreichen.
d.Vermeiden Sie Erdungsschleifen: Verwenden Sie für analoge und digitale Schaltungen einen einzigen Erdungspunkt ("Star-Grounding"). Dies verhindert, dass Strom durch empfindliche analoge Spuren fließt.

2. Spurenbreite und Kupferdicke
Die Spurenbreite bestimmt, wie viel Strom die Leiterplatte ohne Überhitzung übertragen kann.

a.Kupferdicke: 2 oz Kupfer (70 μm) ist besser als 1 oz (35 μm) für Stromversorgungen – es reduziert den Widerstand um 50% und verarbeitet mehr Wärme. Für Hochleistungsentwürfe (> 20 A) verwenden Sie 3 oz Kupfer (105 μm).
b.Thermische Durchläufe: Hinzufügen von 4 6 thermischen Durchläufen (0,3 mm Loch) unter heißen Bauteilen (z. B. MOSFETs), um Wärme in die Bodenebene zu übertragen, wodurch die Bauteiltemperatur um 20 30 °C gesenkt wird.

3. Wärmeverwaltung: Überhitzung stoppen
Wärme ist die Hauptursache für Stromausfälle.Jede Temperaturerhöhung um 10°C halbiert die Lebensdauer der Komponenten.

Auswahl des Materials:
Bei geringer Leistung (≤ 50 W): FR-4 (billig, leicht herzustellen).
Bei Hochleistung (> 50 W): PCB mit Metallkern (Aluminium-/Kupferkern) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die 50-100-mal höher ist als die von FR-4.
Thermisches Schnittstellenmaterial (TIM): Verwenden Sie für langfristige Zuverlässigkeit ein Phasenwechsel-TIM (2,23 W/m·K) zwischen Wärmesenkern und Bauteilen, das besser ist als thermische Paste.
b.Wärmeabnehmer: Aluminiumwärmeabnehmer an MOSFETs und Regulierungsgeräte anschließen (z. B. benötigt eine 10W-Komponente einen 50mm×50mm-Wärmeabnehmer).
c.Luftstrom: Lassen Sie zwischen heißen Bauteilen 2 mm Lücken, damit Luft zirkulieren kann.
d.Simulation: Verwenden Sie Werkzeuge wie Ansys Icepak, um den Wärmefluss zu modellieren, um Hotspots (z.B. ein überfülltes MOSFET-Gebiet) vor dem Prototyping zu finden.

4. EMI-Steuerung: Geräuschreduzierung
SMPS erzeugt elektromagnetische Störungen (EMI), die andere Elektronik stören können (z. B. eine Stromversorgung in einem Router kann Wi-Fi-Ausfälle verursachen).

a.Kleine Schaltschleifen: Halten Sie die Fläche des Schaltkreises (MOSFET + Induktor + Kondensator) so klein wie möglich. Dadurch wird das ausgestrahlte EMI um 40% reduziert.
b.EMI-Filter:
Pi-Filter: An der Eingabe (AC oder DC) platziert, um Geräusche im Differenzmodus zu filtern (verwenden Sie einen Kondensator + Induktor + Kondensator).
Common-Mode-Schwellungen: Hinzufügen an Eingangs-/Ausgangskabel, um Common-Mode-Rauschen (z. B. Rauschen aus dem Stromnetz) zu blockieren.
Ferritperlen: Anbringen von Signalspuren in der Nähe von ICs, um Hochfrequenzgeräusche zu absorbieren (100kHz ∼1GHz).
c. Abschirmung: Verwenden Sie Kupferband oder Metalldosen, um empfindliche Bereiche zu schützen (z. B. die schaltenden MOSFETs). Dies schafft einen Faraday-Käfig, der EMI einfängt.
d.Y-Kondensatoren: Anschluss zwischen primärem und sekundärem Boden zur Ableitung von Common-Mode-Rauschen an Bodenverbrauchskondensatoren mit einer Leistung von 250 V Wechselstrom (Sicherheitsstandard).

5. Schutzmerkmale: Gefahren vermeiden
Fügen Sie folgende Schutzmaßnahmen hinzu, um Schäden durch Stromspitzen, Kurzschlüsse oder Benutzerfehler zu vermeiden:

a.Überspannungsschutz (OVP): Verwenden Sie eine Zener-Diode oder einen Brechbügelkreis, um die Versorgung zu verkürzen, wenn die Spannung das 1,2-fache des Nennwerts übersteigt (z. B. eine 12V-Versorgung löst bei 14,4V die OVP aus).
b.Overcurrent Protection (OCP): Verwenden Sie eine Sicherung (maximal 1,5x Strom) oder eine eFuse (wieder einstellbar), um den Strom abzuschalten, wenn der Strom zu hoch ist.
c. Umgekehrter Polaritätsschutz: Fügen Sie ein MOSFET in Reihe mit dem Eingang hinzu.
d.Wärmeabschaltung: Verwenden Sie einen Temperatursensor (z. B. NTC-Thermistor), um die Versorgung abzuschalten, wenn die Temperatur 85°C übersteigt, was für geschlossene Geräte (z. B. Smart Home Hubs) kritisch ist.
e.ESD-Schutz: TVS-Dioden (Verschiebungsspannungsschutzgeräte) an Eingangs-/Ausgangspins hinzufügen, um ESD-Spitzen (z. B. durch Benutzerberührung) auf sichere Werte zu klemmen.

IPC-Normen für PCB für Stromversorgung
Befolgen Sie die folgenden IPC-Normen, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit zu gewährleisten:

Beispiel: Eine 10A-Leistungsschicht muss IPC-2152 entsprechen, um eine 3,2 mm breite Kupferspur zu verwenden. Dies stellt sicher, dass die Spur während des Betriebs nicht überhitzt (≤30 °C steigt).

Häufig gestellte Fragen
1Wann sollte ich eine lineare Stromversorgung anstelle von SMPS verwenden?
Verwenden Sie lineare Versorgungsmittel für geringe Leistung (< 50 W), geräuschempfindliche Anwendungen (z. B. Audioverstärker, medizinische Monitoren).In den meisten Fällen ist die Anzahl der.

2Wie berechne ich die richtige Spurbreite für meine Stromversorgung?
Verwenden Sie IPC-2152-Richtlinien oder Online-Rechner (z. B. PCB Toolkit).Zum Beispiel:, 5A mit 2 Unzen Kupfer braucht eine 1,6 mm breite Spur.

3Was ist der beste Weg, EMI in einem SMPS-PCB zu reduzieren?
a. Halten Sie die Schaltschleifen klein (MOSFET + Induktor + Kondensator).
b. Hinzufügen eines Pi-Filters an der Eingabe und eines Common-Mode-Drosselns an den Kabeln.
c. Verwenden Sie ein Metallschild um die Schaltkomponenten.
d. Y-Kondensatoren zwischen Primär- und Sekundärgrund platzieren.

4Warum benötigen Stromversorgungs-PCBs thermische Durchgänge?
Thermische Durchgänge übertragen Wärme von heißen Komponenten (z. B. MOSFETs) in die Bodenebene, die als Wärmeschwänze fungiert. Dies senkt die Komponententemperatur um 20-30 ° C und verdoppelt ihre Lebensdauer.

5Welche Schutzmerkmale sind für eine Stromversorgungsplatte nicht verhandelbar?
a. Überspannungsschutz (OVP): Verhindert Spitzenspannungen durch Beschädigung von Komponenten.
b. Überstromschutz (OCP): Verhindert, dass Kurzschlüsse zu Bränden führen.
c.Wärmeabschaltung: Verhindert Überhitzung in geschlossenen Geräten.
d. Umgekehrter Polaritätsschutz: Vermeidung von Schäden durch falsche Stromversorgung.

Schlussfolgerung
Die Schlüssel zum Erfolg liegt in der Wahl des richtigen Typs (starre für Stabilität, flexible für Wearables),Stromversorgung (linear für geringen Lärm), SMPS für die Effizienz) und nach strengen Konstruktionsregeln (Spurbreite, thermische Steuerung, EMI-Steuerung).

Durch die Priorisierung von IPC-Standards, die Verwendung von hochwertigen Komponenten (niedrige ESR-Kondensatoren, hochsättigte Induktoren) und das Hinzufügen von Schutzfunktionen werden Sie Stromversorgungs-PCBs bauen, die jahrelang halten.Egal ob Sie ein 5W-Handyladegerät oder eine 500W-Server-Versorgung entwerfen, die Grundsätze in diesem Leitfaden gelten, konzentrieren sich auf Sicherheit, Effizienz und Fertigbarkeit.

Da die Elektronik immer leistungsfähiger wird (z.B. Elektroautos, KI-Server), werden die Leistungsversorgungsplatten nur an Bedeutung gewinnen.und verschwendete Energie später.Denken Sie daran: Ein gutes Stromversorgungs-PCB liefert nicht nur Strom, sondern auch Frieden.