Impedancje pasożytnicze w konwerterach zasilających

Aby uniknąć problemów z zakłóceniami, projektanci konwerterów impulsowych muszą zachować szczególną ostrożność podczas projektowania tzw. gorącej pętli, czyli takiej części obwodu zasilania, w której następuje szybkie przełączanie sygnału mocy. Niezbędne jest minimalizowanie reaktancji elementów pasożytniczych i połączeń w tym obszarze, tj. rezystancji szeregowych ESR i ESL. Można to osiągnąć poprzez wybór odpowiednich komponentów zasilacza i staranny układ płytki drukowanej.

W tym artykule omówiono, jak się tworzą gorące pętle i skąd biorą się straty energii wynikające z reaktancji pasożytniczych w kondensatorach sprzęgających, tranzystorach FET, a nawet w przelotkach na płytkach drukowanych. Następnie pokazano przykładowy zintegrowany konwerter firmy Analog Devices oraz przedstawiono różne układy płytek drukowanych i ich wpływ na parametry pasożytnicze. Podano także praktyczne wskazówki dotyczące redukcji wartości ESR i ESL w układzie przetwornicy obniżającej napięcie.

Przełączanie w obszarze gorącej pętli

 

Rys. 1. Uproszczony schemat konwertera typu buck z zaznaczonym na czerwono obszarem gorącej pętli

Każdy projekt konwertera energii, który wiąże się z szybkim przełączaniem dużych prądów, taki jak przetwornice boost, buck-boost oraz typu flyback (zaporowe), ma w układzie przynajmniej jedną gorącą pętlę. Ilustruje to uproszczony schemat przetwornicy buck (obniżającej napięcie), nazywanej też step-down (rys. 1). Obszar po lewej stronie w kolorze czerwonym grupuje wszystkie elementy odpowiedzialne za komutację, stąd prąd o wysokiej częstotliwości generowany przez obwód jest zawarty wewnątrz tego obszaru, tworząc gorącą pętlę.

Termin "gorący" oznacza, że w tym obszarze prądy i napięcia mają duże wartości związane z konwersją energii i przełączaniem sygnałów mocy, którym często towarzyszy wytwarzanie ciepła. Właściwy układ i konstrukcja takich pętli mają kluczowe znaczenie dla zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych i zapewnienia wydajnego działania zasilacza.

 

Rys. 2. Gorące pętle w rzeczywistych układach zawsze zawierają reaktancje pasożytnicze, pokazane na czerwono

Bardziej rzeczywisty obwód przedstawiony na rysunku 2 zawiera synchroniczną przetwornicę DC-DC buck. W tym przypadku elementami pętli (oznaczonymi na czarno) są kondensator wejściowy (C_IN) i przełączające tranzystory MOSFET M₁ i M₂.

Elementy pasożytnicze w gorącej pętli są oznaczone kolorem czerwonym. Wartość ESL mieści się zazwyczaj w zakresie nanohenrów, ESR w zakresie miliomów, co może tworzyć pozory, że są to pomijalnie małe wartości. Niemniej przełączanie dużych mocy przy wysokiej częstotliwości powoduje oscylacje, a w efekcie skutkuje zakłóceniami elektromagnetycznymi. Energia zmagazynowana w ESL jest następnie rozpraszana w ESR, co prowadzi do utraty energii i pogorszenia sprawności.

Minimalizacja parametrów pasożytniczych dzięki zintegrowanym komponentom

Reaktancje pasożytnicze (ESR, ESL) są cechą wszystkich komponentów oraz powstają wzdłuż ścieżek płytki drukowanej. Aby zminimalizować ich wartości, projektanci muszą wybierać komponenty pod tym kątem i optymalizować układ płytki drukowanej, aby połączenia były jak najkrótsze.

Jednym ze sposobów osiągnięcia obu celów jednocześnie jest zastosowanie komponentów zintegrowanych wewnątrz układu konwertera. Eliminują one ścieżki na płytce drukowanej wymagane do ich podłączenia w rozwiązaniu z podzespołami dyskretnymi, jednocześnie zmniejszając całkowity obszar gorącej pętli. Obydwa przyczyniają się do zmniejszenia impedancji pasożytniczych.

Doskonałym przykładem takiej zintegrowanej przetwornicy jest konwerter obniżający napięcie z serii μModule LTM4638 firmy Analog Devices. Jak pokazano na rysunku 3, ten 15-amperowy przetwornik impulsowy zawiera sterownik, tranzystory mocy FET, cewkę indukcyjną i elementy pomocnicze. To wszystko producent zmieścił w małej obudowie o wymiarach 6,25×6,25×5,02 mm.

 

Rys. 3. Konwerter μModule LTM4638 zawiera większość komponentów potrzebnych do realizacji przetwornicy typu buck

• LTM4638 realizuje kilka ważnych funkcji, które zmniejszają straty związane z reaktancjami pasożytniczymi. Są to:szybka reakcja na stany przejściowe, która zapewnia precyzyjną regulację napięcia wyjściowego w odpowiedzi na zmianę obciążenia lub napięcia na wejściu. Dzięki temu zminimalizowano czas trwania i wpływ strat związanych z działaniem w nieoptymalnym stanie (zakresie).
• praca w trybie z nieciągłością prądu w indukcyjności, dzięki czemu prąd w dławiku spada do zera przed rozpoczęciem następnego cyklu przełączania. Tryb ten, zwykle używany w warunkach niewielkiego obciążenia, zmniejsza straty przełączania i rdzenia cewki indukcyjnej poprzez odłączenie jej od zasilania na część cyklu komutacji.
• śledzenie napięcia wyjściowego – zapewnia, że napięcie wyjściowe konwertera podąża za referencyjnym napięciem wejściowym. Precyzyjnie kontrolując narastanie i opadanie napięcia wyjściowego, funkcja ta zmniejsza prawdopodobieństwo przekroczenia lub spadków napięcia wyjściowego, które mogą zwiększyć straty pasożytnicze.

Minimalizacja parametrów pasożytniczych dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu komponentów

Skonstruowanie synchronicznego konwertera buck z LTM4638 wymaga użycia dużej wielkości kondensatorów odsprzęgających wejściowych i wyjściowych, od powiednio i C_OUT. Umiejscowienie tych kondensatorów może mieć znaczący wpływ na wartość reaktancji pasożytniczych. Pomiary wykonane przez firmę Analog Devices z użyciem płytki ewaluacyjnej DC2665A-B i układu LTM4638 ilustrują wpływ umieszczenia pojemności CIN. Rysunki od 4 do 6 ilustrują trzy różne pozycje i odpowiadające im gorące pętle. Pętle pionowe 1 (rys. 4) i 2 (rys. 5) zawierają C_IN na dolnej warstwie, a więc bezpośrednio pod regulatorem lub z boku. Pozioma gorąca pętla z rysunku 6 ma ten kondensator na górnej warstwie PCB.

 

Rys. 4. Pionowa gorąca pętla nr 1, widok z dołu i z boku. Kondensator C_IN znajduje się bezpośrednio pod regulatorem i jest podłączony poprzez przelotki

 

Rys. 5. Widok z dołu i z boku dla pionowej gorącej pętli nr 2. Pojemność C_IN znajduje się poniżej, ale obok regulatora, co wymaga realizacji dodatkowych ścieżek na płytce drukowanej i użycia przelotek

 

Rys. 6. Widok poziomej pętli gorącej z góry i z boku. Kondensator C_IN znajduje się na wierzchniej warstwie, łącząc się z regulatorem ścieżkami

 

Rys. 7. Zgodnie z przypuszczeniami, najkrótsza pętla ma najmniejszą impedancję pasożytniczą

Pionowa pętla nr 1 zapewnia najkrótszą ścieżkę i pozwala uniknąć prowadzenia dodatkowych ścieżek na płytce drukowanej. Można zatem oczekiwać, że ten projekt będzie miał najlepsze parametry pasożytnicze. Analiza każdej gorącej pętli za pomocą symulacji przy 600 kHz i 200 MHz z pokazuje, że tak jest faktycznie (rys. 7).

Chociaż wartości tych pasożytniczych parametrów w obwodzie konwertera nie można bezpośrednio zmierzyć, skutki ich obecności w układzie można przewidzieć i przetestować. W szczególności niższa wartość ESR powinna prowadzić do lepszej sprawności, podczas gdy niższy ESL powinien skutkować mniejszymi tętnieniami. Weryfikacja potwierdza te przewidywania, przy czym pionowa pętla 1 zapewnia lepszą wydajność konwertera w obu przypadkach (rys. 8).

 

Rys. 8. Wyniki eksperymentów potwierdzają, że pionowa gorąca pętla 1 zapewnia lepszą wydajność i tętnienia

Minimalizacja parametrów pasożytniczych komponentów dyskretnych

Chociaż zintegrowane układy mają wiele zalet, niektóre zasilacze impulsowe buduje się z użyciem komponentów dyskretnych, np. te o dużej mocy, których małe zintegrowane kontrolery o wielkości chipowej nie obsłużą. W takich przypadkach rozmieszczenie i wielkość obudowy użytych tranzystorów mocy może znacząco wpłynąć na wartości ESR i ESL Rys. 8. Wyniki eksperymentów potwierdzają, że pionowa gorąca pętla 1 zapewnia lepszą wydajność i tętnienia w gorącej pętli. Różnicę można zaobserwować porównując dwie płytki ewaluacyjne zawierające wysokowydajne, 4-przełącznikowe synchroniczne kontrolery buck-boost, jak pokazano na rysunku 9:

• płytka DC2825A zawiera konwerter buck-boost LT8390 z tranzystorami MOSFET umieszczonymi równolegle, tj. w tej samej orientacji,
• płytka DC2626A z konwerterem buck-boost LT8392 z dwiema parami tranzystorów MOSFET umieszczonych pod kątem 90º.

 

Rys. 9. DC2825A (zdjęcie po lewej) z tranzystorami MOSFET ułożonymi równolegle oraz DC2626A (po prawej) umieszczonymi pod kątem 90o

Obie płytki zawierały identyczne MOSFET-y i kondensatory i działały w trybie obniżania napięcia z 36 do 12 V przy obciążeniu 10 A i częstotliwości pracy 300 kHz. Wyniki pokazują, że ustawienie kluczy pod kątem 90º charakteryzowało się niższymi tętnieniami w napięciu wyjściowym i wyższą częstotliwością rezonansową, co wskazuje na mniejsze wartości ESL ze względu na krótszą ścieżkę gorącej pętli (rys. 10).

 

Rys. 10. Konwerter DC2626A z układem MOSFET-ów pod kątem 90o charakteryzuje się niższymi tętnieniami i wyższą częstotliwością rezonansową

Inne uwagi dotyczące układu

Umieszczenie w górnej części płytki przelotki w gorącej pętli mają również wpływ na wartość ESR i ESL. Ogólnie rzecz biorąc, dodanie większej liczby przelotek zmniejsza impedancję pasożytniczą płytki drukowanej. Jednakże ta redukcja nie jest liniowo proporcjonalna do liczby użytych przelotek. Te bliżej pinów układu konwertera lub pozostałych elementów znacznie zmniejszają ESR i ESL. Dlatego też możliwie wiele przelotek powinno być umieszczonych w pobliżu końcówek krytycznych komponentów (CIN, μModule i MOSFET), aby zminimalizować impedancję.

Istnieje jeszcze kilka innych sposobów pozytywnego wpływu na parametry elektryczne i termiczne takich przetwornic:

• użycie obszarów miedzi o dużej powierzchni na płytkach drukowanych dla ścieżek wysokoprądowych, w tym linii VIN, VOUT i masy, aby zminimalizować straty przewodzenia i ograniczyć naprężenia termiczne,
• umieszczenie dodatkowej warstwy masy pod konwerterem,
• użycie wielu przelotek do połączeń między górną warstwą i innymi warstwami dystrybuującymi zasilanie, aby zminimalizować straty przewodzenia i zmniejszyć naprężenia termiczne,
• nieużywanie przelotek bezpośrednio na padach, chyba że są platerowane lub będą zalane lutowiem,
• użycie oddzielnego obszaru miedzi dla masy sygnałowej dla komponentów podłączonych do pinów sygnałowych i połączenie masy sygnałowej z masą zasilającą pod układem konwertera,
• wyprowadzenie punktów testowych na pinach sygnałowych w celu monitorowania działania,
• zachowanie separacji pomiędzy sygnałem zegarowym i ścieżkami wejściowymi, aby zminimalizować możliwość wystąpienia zakłóceń spowodowanych przesłuchami.

Podsumowanie

Reaktancje pasożytnicze w gorącej pętli konwerterów impulsowych mają duży wpływ na sprawność zasilaczy. Minimalizacja tych wielkości jest kluczowa dla osiągnięcia wysokiej wydajności i niskiego poziomu zaburzeń EM. Jednym z najprostszych sposobów osiągnięcia tych celów jest zastosowanie zintegrowanych układów konwerterów, a w przypadku zasilaczy, większej mocy istotne jest zrozumienie istotności umieszczenia komponentów w gorącej pętli.

DigiKey Electronics
https://www.digikey.pl/