Импульсные источники питания полностью вытеснили с рынка версии на базе сетевых трансформаторов благодаря высокому КПД, небольшим размерам и другим отличным параметрам. Вот только их использование сопряжено с проблемами, поскольку коммутирующие силовые сигналы при их работе могут вызывать мешающие электромагнитные помехи (ЭМП) в других блоках устройства. Более того, те же явления, которые вызывают электромагнитные помехи, также снижают эффективность преобразования энергии, подрывая одно из ключевых преимуществ импульсных источников питания (ИИП).
Чтобы избежать проблем с помехами, разработчики импульсных преобразователей должны быть особенно осторожны при проектировании так называемых горячих контуров, — части силовой цепи, где сигнал быстро переключается. Необходимо минимизировать реактивное сопротивление паразитных элементов и соединений в этой зоне, то есть последовательных сопротивлений ESR и ESL. Этого можно достичь путем выбора соответствующих компонентов источника питания и тщательной компоновки печатной платы.
Давайте рассмотрим, как образуются горячие петли и откуда берутся потери энергии из-за паразитных реактивных сопротивлений в разделительных конденсаторах, полевых транзисторах и даже переходных отверстиях на печатных платах. Затем изучим пример интегрального преобразователя от Analog Devices, а также различные компоновки печатной платы и их влияние на паразитные параметры. В конце будут приведены практические советы по снижению значений ESR и ESL в схеме понижающего преобразователя.
Переключение в зоне горячего контура
Любая конструкция силового преобразователя которая предполагает быстрое переключение больших токов (повышающие, повышающе-понижающие и обратноходовые преобразователи), имеет по крайней мере один горячий контур. Это иллюстрируется упрощенной схемой понижающего преобразователя. Область слева, выделенная красным, группирует все компоненты отвечающие за коммутацию, поэтому высокочастотный ток генерируемый схемой удерживается внутри этой области, создавая горячую петлю.
Термин «горячий» означает, что токи и напряжения в этой области имеют высокие значения, связанные с преобразованием энергии и коммутацией силовых сигналов, которые часто сопровождаются выделением тепла. Правильная компоновка и конструкция таких контуров имеют решающее значение для минимизации электромагнитных помех и обеспечения эффективной работы ИИП.
Более реальная схема, показанная на рисунке, содержит синхронный понижающий преобразователь постоянного тока. В данном случае элементами контура (отмечены черным) являются входной конденсатор (C IN) и переключающие МОП-транзисторы.
Красным цветом отмечены паразитные элементы в горячем контуре. Значение ESL обычно находится в диапазоне наногенри, ESR — в пределах миллиом, что может создать впечатление, что эти значения пренебрежимо малы. Но переключение большой мощности на высокой частоте вызывает колебания, и в конечном итоге приводит к электромагнитным помехам.
Энергия накопленная в ESL, затем рассеивается в ESR, что приводит к потерям энергии и снижению эффективности.
Минимизация паразитных параметров
Паразитные реактивные сопротивления (ESR, ESL) свойственны всем компонентам и возникают на дорожках печатной платы. Чтобы минимизировать их значения, проектировщики должны выбирать компоненты с учетом этого момента, и оптимизировать компоновку печатной платы, чтобы соединения были как можно короче.
Одним из способов одновременного достижения обеих целей будет использование компонентов, интегрированных в микросхему преобразователя. Они устраняют пути печатных плат, необходимые для их подключения в дискретном решении, одновременно уменьшая общую площадь горячего шлейфа. Оба способствуют снижению паразитных сопротивлений.
Прекрасным примером такого решения является понижающий преобразователь LTM4638. Как показано на рисунке, этот импульсный преобразователь на 15 А включает в себя драйвер, силовые полевые транзисторы, дроссель и вспомогательные компоненты. Все это производитель уместил в небольшой корпус размерами 6,25 х 6,25 х 5 мм.
Чип LTM4638 выполняет несколько важных функций, которые уменьшают потери связанные с паразитными реактивными сопротивлениями. К ним относятся:
- быстрый переходный процесс, обеспечивающий точное регулирование выходного напряжения в ответ на изменение нагрузки или входного напряжения. Это сводит к минимуму продолжительность и влияние потерь, связанных с работой в неоптимальном диапазоне.
- работа в режиме скачка тока индуктивности, так что ток в дросселе падает до нуля до начала следующего цикла переключения. Этот режим, обычно используемый в условиях небольшой нагрузки, снижает потери на переключение дросселя за счет отключения его от источника питания на часть цикла коммутации.
- отслеживание выходного напряжения – гарантирует, что выходное напряжение преобразователя соответствует опорному входному напряжению. Благодаря точному контролю подъема и падения выходного напряжения эта функция снижает вероятность выбросов или провалов напряжения, которые могут увеличить паразитные потери.
Создание синхронного понижающего преобразователя на основе LTM4638 требует использования входных и выходных развязывающих конденсаторов большой емкости от C OUT соответственно. Расположение этих конденсаторов может оказать существенное влияние на величину паразитных реактивных сопротивлений. Измерения, проведенные с использованием оценочной платы DC2665A-B и LTM4638, иллюстрируют влияние размещения емкости C IN. На рисунках далее показаны три различных положения и соответствующие им горячие петли. Вертикальные шлейфы 1 и 2 содержат C IN на нижнем слое, то есть непосредственно под контроллером или сбоку.
Вертикальный контур номер 1 обеспечивает кратчайший путь и позволяет избежать дополнительных дорожек на плате. Таким образом, можно ожидать, что эта конструкция будет иметь наилучшие паразитные характеристики. Анализ каждого горячего контура с использованием моделирования на частотах 600 кГц и 200 МГц показывает, что это действительно так.
Хотя значения этих паразитных параметров в схеме преобразователя невозможно измерить напрямую, последствия их присутствия легко прогнозировать и тестировать. В частности, более низкий ESR должен привести к повышению эффективности, а более низкий ESL должен привести к снижению пульсаций. Проверка подтверждает эти прогнозы: вертикальный контур 1 обеспечивает лучшую производительность преобразователя в обоих случаях.
Хотя микросхемы имеют множество преимуществ, некоторые импульсные источники питания построены с использованием дискретных компонентов, например мощных, созначениями которыми не могут справиться небольшие интегрированные контроллеры размером с микросхему. В таких случаях расположение и размер корпуса используемых силовых транзисторов могут существенно повлиять на значения ESR и ESL. Результаты экспериментов подтверждают, что вертикальный горячий контур 1 обеспечивает лучшие характеристики и пульсации горячего контура. Разницу можно увидеть сравнив две оценочные платы, содержащие высокопроизводительные синхронные повышающе-понижающие контроллеры с 4 переключателями, как показано на рисунке:
- плата DC2825A содержит повышающе-понижающий преобразователь LT8390 с MOSFET-транзисторами, расположенными параллельно, т.е. в одной ориентации,
- плата DC2626A с повышающе-понижающим преобразователем LT8392 с двумя парами MOSFET-транзисторов, расположенных под углом 90°.
Обе платы содержали одинаковые МОП-транзисторы и конденсаторы, и работали в понижающем режиме от 36 до 12 В при нагрузке 10 А и рабочей частоте 300 кГц. Результаты показывают, что расположение ключа под углом 90° имеет меньшие пульсации выходного напряжения и более высокую резонансную частоту, что указывает на более низкие значения ESL из-за более короткого пути горячего контура.
Другие важные моменты
Размещение переходного отверстия в верхней части платы также влияет на значения ESR и ESL. Как правило, добавление большего количества переходных отверстий снижает паразитное сопротивление печатной платы. Но это сокращение не линейно пропорционально количеству используемых переходных отверстий. Те, что расположены ближе к выводам схемы преобразователя или другим компонентам, существенно снижают ESR и ESL.
Поэтому как можно больше переходных отверстий следует размещать рядом с клеммами критически важных компонентов (CIN, µModule и MOSFET), чтобы минимизировать сопротивление.
Существует еще несколько способов положительно повлиять на электрические и тепловые параметры таких преобразователей:
- использование медных участков большой площади поверхности на печатных платах для сильноточных трасс, включая линии VIN, VOUT и линии заземления, для минимизации потерь проводимости и ограничения тепловых напряжений,
- размещение дополнительного слоя массы под преобразователем,
- использование нескольких переходных отверстий для соединений между верхним слоем и другими слоями распределения мощности для минимизации потери проводимости и уменьшить тепловые напряжения,
- не использовать переходные отверстия непосредственно на контактных площадках, если они не покрыты металлом или не заполнены припоем,
- использование отдельной медной области для сигнальной земли для компонентов, подключенных к сигнальным контактам, и подключение сигнальной земли к силовой земле под цепью преобразователя,
- закрепление контрольных точек на сигнальных контактах для контроля работы,
- поддержание разделения между тактовым сигналом и входными путями, чтобы минимизировать возможность помех из-за перекрестных помех.
Итого: паразитные реактивные сопротивления в горячем контуре импульсных преобразователей оказывают большое влияние на эффективность источников питания. Минимизация этих величин имеет решающее значение для достижения высокой эффективности и низкого уровня ЭМП. И одним из самых простых способов достижения этих целей является использование интегрированных преобразовательных чипов, а в случае источников более высокой мощности важно понимать важность размещения компонентов в горячем контуре.
