Cum să minimizați fenomenele parazite în sursele de alimentare cu comutație

Sursele de alimentare cu comutație sunt populare datorită eficienței și flexibilității lor. De asemenea, acestea aduc provocări pe măsură ce își extind aria de acoperire către noi aplicații. În special, comutarea lor de înaltă frecvență poate induce interferențe electromagnetice (EMI) în restul sistemului. În plus, aceiași factori care pot duce la EMI reduc și eficiența, subminând unul dintre avantajele cheie ale surselor de alimentare cu comutație.

Pentru a evita aceste probleme, proiectanții trebuie să acorde o atenție deosebită la configurarea „buclei fierbinți”, porțiunea circuitului de alimentare în care are loc comutarea rapidă. Minimizarea pierderilor parazite ale buclei fierbinți datorate rezistenței echivalente în serie (ESR) și inductanței echivalente în serie (ESL) este esențială. Acest lucru poate fi realizat prin alegerea unor componente de alimentare foarte integrate și a unei dispuneri atente a plăcii de circuite imprimate (PCB).

Articolul de față prezintă buclele fierbinți și sursele de pierderi parazite, inclusiv condensatoarele de cuplare, tranzistoarele cu efect de câmp (FET) și găurile de trecere ale plăcii de circuite imprimate. Apoi, este prezentat un exemplu de convertor de putere foarte integrat de la Analog Devices și sunt prezentate diferite configurații ale plăcilor de circuite imprimate și efectele acestora asupra parametrilor parazitari. Articolul se încheie cu sfaturi practice pentru reducerea ESR și ESL.

Noțiunile de bază privind buclele fierbinți ale surselor de alimentare cu comutație

Orice proiect de sursă de alimentare care implică curenți de comutare rapidă, cum ar fi convertoarele ridicătoare, ridicătoare-coborâtoare și flyback, va avea bucle fierbinți cu curenți care se comută la frecvențe ridicate. Acest concept este ilustrat printr-un convertor „buck” simplificat, cunoscut și sub numele de convertor coborâtor (Figura 1). Bucla din stânga (roșie) conține toate elementele de comutare; curenții de înaltă frecvență generați de circuit sunt conținuți în interiorul acesteia, formând bucla fierbinte.

Figura 1: Un convertor coborâtor simplificat care ilustrează principiul unei bucle fierbinți, evidențiate cu roșu. (Sursă imagine: Analog Devices)

Aspectul „fierbinte” provine de la activitățile semnificative de conversie și comutare a energiei care au loc în această zonă a circuitului, adesea însoțite de generare de căldură. Dispunerea și proiectarea corecte ale acestor bucle fierbinți sunt esențiale pentru a minimiza EMI și pentru a asigura funcționarea eficientă a sursei de alimentare.

Circuitul mai realist din Figura 2 prezintă un convertor sincron coborâtor c.c. - c.c. Pentru această buclă fierbinte, componentele fizice (etichetate cu negru) sunt condensatorul de intrare (C_IN) și FET-urile de comutare metal-oxid-semiconductor (MOSFET), M1 și M2.

Figura 2: Buclele fierbinți din lumea reală includ în mod inevitabil parametri parazitari, reprezentați cu roșu. (Sursă imagine: Analog Devices)

Parametrii parazitari din cadrul buclei fierbinți sunt etichetați cu roșu. De obicei, ESL este în intervalul nanohenry-lor (nH), în timp ce ESR este în intervalul miliohmilor (mΩ). Comutarea de înaltă frecvență cauzează un efect de oscilații pendulare în cadrul ESL-urilor, ceea ce duce la interferențe electromagnetice. Energia stocată în ESL-uri este apoi disipată de ESR-uri, ceea ce duce la pierderi de putere.

Minimizarea parametrilor parazitari cu componente integrate

Aceste impedanțe parazite (ESR, ESL) apar în interiorul componentelor și de-a lungul traseelor de pe placa de circuite imprimate cu buclă fierbinte. Pentru a minimiza acești parametri, proiectanții trebuie să aleagă cu atenție componentele și să optimizeze dispunerea plăcii de circuite imprimate.

O modalitate de a atinge ambele obiective este utilizarea de componente integrate. Acestea elimină traseele de pe placa de circuite imprimate necesare pentru conectarea componentelor discrete, reducând în același timp suprafața totală a buclei fierbinți. Ambele contribuie la reducerea impedanței parazite.

Un exemplu excelent de componentă foarte integrată este regulatorul coborâtor LTM4638 µModule de la Analog Devices. După cum este ilustrat în Figura 3, acest regulator de comutare de 15 amperi (A) integrează controlerul de comutare, FET-urile de putere, inductorul și componentele de suport, toate într-o capsulă mică de 6,25 × 6,25 × 5,02 milimetri (mm).

Figura 3: Regulatorul µModule LTM4638 integrează multe dintre componentele necesare pentru un convertor coborâtor. (Sursă imagine: Analog Devices)

LTM4638 încorporează alte câteva caracteristici care reduc pierderile parazitare. Acestea includ:

• Răspuns tranzitoriu rapid: Acesta permite regulatorului să ajusteze rapid tensiunea de ieșire ca răspuns la modificările în sarcină sau la intrare, minimizând durata și impactul pierderilor parazite prin tranziția rapidă prin stări de funcționare suboptime.
• Funcționare în mod discontinuu: Aceasta permite curentului inductorului să scadă la zero înainte de începerea următorului ciclu de comutare. Utilizat de obicei în condiții de sarcină ușoară, acest mod reduce pierderile de comutație și ale miezului în inductor prin scoaterea acestuia de sub tensiune pentru o parte a ciclului.
• Urmărirea tensiunii de ieșire: Aceasta permite ieșirii convertorului să urmeze o tensiune de intrare de referință. Prin controlul precis al rampei de creștere și descreștere a tensiunii de ieșire, această caracteristică reduce probabilitatea de supraîncărcări sau subîncărcări care pot exacerba pierderile parazite.

Minimizarea parametrilor parazitari cu plasarea componentelor

Construirea unui convertor coborâtor sincron cu LTM4638 necesită adăugarea condensatoarelor de intrare și de ieșire, C_IN și, respectiv, C_OUT. Poziționarea acestor condensatoare poate avea un impact semnificativ asupra parametrilor parazitari.

Experimentele efectuate de Analog Devices cu placa de evaluare DC2665A-B pentru LTM4638 ilustrează impactul poziționării C_IN. DC266565B-B a înlocuit această placă, dar se aplică aceleași principii. Figurile 4-6 ilustrează trei dispuneri diferite pentru C_IN și buclele fierbinți corespunzătoare. Buclele fierbinți verticale 1 (Figura 4) și 2 (Figura 5) plasează C_IN pe stratul inferior, direct sub regulator sau, respectiv, în lateral. Bucla fierbinte orizontală (Figura 6) plasează condensatorul pe stratul superior.

Figura 4: Vedere de jos și laterală a buclei fierbinți verticale 1. C_IN se află direct sub regulator, conectat prin intermediul unor găuri de trecere. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 5: Vedere de jos și laterală a buclei fierbinți verticale 2. C_IN se află sub regulator, dar lângă acesta, necesitând găuri de trecere și trasee PCB. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 6: Bucla fierbinte orizontală - Vedere de sus și din lateral. C_IN se află pe stratul superior, conectându-se la regulator prin trasee. (Sursă imagine: Analog Devices)

Bucla fierbinte verticală 1 are cea mai scurtă cale și evită utilizarea traseelor PCB. Astfel, ar trebui să aibă cei mai mici parametri parazitari. Prin analizarea fiecărei bucle fierbinți cu FastHenry la 600 kHz și 200 megahertzi (MHz), acest lucru este confirmat (Figura 7).

Figura 7: Așa cum era de așteptat, cea mai scurtă cale a avut cea mai mică impedanță parazită. (Sursa imaginii: Analog Devices, modificată de autor)

Deși acești parametri parazitari nu pot fi măsurați direct, efectele lor pot fi prezise și testate. Mai exact, un ESR mai mic ar trebui să ducă la o eficiență mai mare, în timp ce un ESL mai mic ar trebui să ducă la o ondulație mai mică. Verificările experimentale au confirmat aceste predicții, bucla fierbinte verticală 1 demonstrând o performanță mai bună în ceea ce privește ambii parametri (Figura 8).

Figura 8: Rezultatele experimentale confirmă faptul că bucla fierbinte verticală 1 obține valori mai bune de eficiență și ondulație. (Sursă imagine: Analog Devices)

Minimizarea parametrilor parazitari pentru componente discrete

Deși dispozitivele integrate oferă multe avantaje, unele surse de alimentare cu comutație necesită componente discrete. De exemplu, o aplicație de mare putere poate depăși capacitățile dispozitivelor integrate. În astfel de cazuri, amplasarea și dimensiunea capsulelor FET-urilor de putere discrete pot avea un impact semnificativ asupra ESR-urilor și ESL-urilor din bucla fierbinte. Aceste impacturi pot fi observate prin testarea a două plăci de evaluare, ambele cu controlere sincrone de coborâre-ridicare cu 4 comutatoare de înaltă eficiență, așa cum este ilustrat în Figura 9:

• Placa de evaluare DC2825A se bazează pe regulatorul coborâtor-ridicător LT8390. MOSFET-urile sale sunt plasate în paralel, adică în aceeași orientare.
• Placa de evaluare DC2626A se bazează pe regulatorul coborâtor-ridicător LT8392. Aceasta are două perechi de MOSFET-uri plasate în unghiuri de 90˚.

Figura 9: DC2825A (stânga) își plasează MOSFET-urile în paralel, în timp ce DC2626A (dreapta) le plasează în unghiuri de 90˚. (Sursă imagine: Analog Devices)

Cele două plăci au fost testate folosind MOSFET-uri și condensatoare identice într-o operațiune de reducere a tensiunii de la 36 la 12 volți la 10 A și 300 kilohertzi (kHz). Rezultatele au arătat că plasarea la 90˚ a avut o ondulație de tensiune mai mică și o frecvență de rezonanță mai mare, ceea ce indică un ESL mai mic pe placa de circuite imprimate datorită unui traseu mai scurt al buclei fierbinți (Figura 10).

Figura 10: DC2626A, cu configurația sa MOSFET de 90˚, prezintă o ondulație mai mică și o frecvență de rezonanță mai mare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Alte considerente privind dispunerea

Poziționarea în partea superioară a FormVVia în bucla fierbinte are, de asemenea, un impact asupra ESR și ESL din buclă. În general, adăugarea mai multor găuri de trecere reduce impedanța parazită a PCB-ului. Cu toate acestea, reducerea nu este liniar proporțională cu numărul de găuri de trecere. Găurile de trecere aflate mai aproape de plăcuțele terminale reduc semnificativ ESR și ESL. Prin urmare, trebuie plasate mai multe găuri de trecere aproape de plăcuțele componentelor critice (C_IN și µModule sau MOSFET) pentru a minimiza impedanța buclei fierbinți.

Există multe alte modalități de a influența pozitiv performanțele electrice și termice. Pentru a optimiza bucla fierbinte, cele mai bune practici includ:

• Folosirea suprafețelor mari de cupru pe placa de circuite imprimate pentru traseele de curent ridicat, inclusiv V_IN, V_OUT și masa, pentru a minimiza pierderile de conducție pe PCB și stresul termic.
• Plasarea unui strat de împământare dedicat sub unitate.
• Utilizarea mai multor găuri de trecere pentru interconectare între stratul superior și celelalte straturi de alimentare pentru a minimiza pierderile la conducție și pentru a reduce stresul termic al modulului.
• Evitarea amplasării găurilor de trecere direct pe plăcuță, cu excepția cazului în care acestea sunt acoperite sau placate.
• Utilizarea unei zone de cupru separate de împământare a semnalului pentru componentele conectate la pinii de semnal, unind împământarea semnalului cu pinul principal de împământare de sub unitate.
• Implementarea punctelor de testare pe pinii de semnal pentru monitorizare.
• Menținerea unei separări între semnalul de ceas și traseele de intrare de frecvență pentru a minimiza posibilitatea apariției zgomotului datorat diafoniei.

Concluzie

Parametrii parazitari din cadrul buclei fierbinți influențează puternic performanța unei surse de alimentare cu comutație. Reducerea la minimum a acestor parametri este esențială pentru a obține o eficiență ridicată și un nivel scăzut de interferențe electromagnetice.

Una dintre cele mai simple modalități de a atinge aceste obiective este utilizarea modulelor de regulator integrate. Cu toate acestea, sursele de alimentare cu comutație necesită în mod obișnuit utilizarea unor componente de masă, cum ar fi condensatoarele, astfel că este esențial să se înțeleagă implicațiile dispunerilor buclei fierbinți.