Niska emisja zakłóceń elektromagnetycznych w konwerterze Buck-Boost

Aby uniknąć powstawania zakłóceń w pasmach częstotliwości radiowej i usług mobilnych, obwody elektroniczne stosowane w branży samochodowej muszą spełniać surowe normy w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. W wielu przypadkach rozwiązania z rodziny Silent Switcher i Silent Switcher 2 mogą znacząco poprawić pracę urządzeń pod kątem spełnienia tych norm. Niemniej jednak, we wszystkich przypadkach konieczne jest staranne rozmieszczenie elementów na PCB. Artykuł przedstawia dwa możliwe rozwiązania ułożenia elementów dla 4-tranzystorowego konwertera buck-boost, wraz z porównaniem wyników pomiarów w komorze EMI.

Przedstawiony konwerter wykonany jest jako pojedynczy układ scalony, który pracuje jako buck (obniżający napięcie), gdy napięcie wyjściowe jest niższe, niż wejściowe, i jako boost (podwyższający napięcie), gdy napięcie wyjściowe jest wyższe, niż wejściowe. W zakresie napięć, w którym wartość wyjściowa i wejściowa jest podobna, mogą działać wszystkie cztery tranzystory.

Wykorzystując komorę EMI, należącą do ADI w Santa Clara w Kalifornii, zespół inżynierów zbadał efektywność oryginalnego rozwiązania układu synchronicznego z dwiema ‘gorącymi’ pętlami prądowymi na PCB. Sprawdzono także, czy można zastosować alternatywny układ w celu obniżenia poziomu zakłóceń i tym samym spełnić normy EMI.

‘Gorąca pętla’ to obszar na PCB obejmujący ścieżki, przez które płynie prąd o dużej wartości. Ograniczenie poziomu zakłóceń EMI w obwodzie podwójnej gorącej pętli polega na symetrycznym rozmieszczeniu kondensatorów ceramicznych wokół tranzystorów MOSFET. W proponowanym rozwiązaniu zastosowano unikalne położenie rezystora pomiarowego obok cewki i poza pętlami - takie rozwiązanie skraca same pętle do minimum i zmniejsza wpływ efektu antenowego. Aby osiągnąć symetrię rozkładu elementów i uzyskać najkrótsze połączenie pomiędzy tranzystorami i cewką, stosuje się przelotki, które mogą zwiększyć obszar samej pętli. Korzystając z komory EMI zgodnej z CISPR 25, zespół badawczy odkrył, że stopień mocy konwertera i duży obszar pętli powoduje niepożądaną przewodzoną emisję zakłóceń, szczególnie w zakresie >30 MHz (pasmo radiowe FM), czyli tam, gdzie skuteczne tłumienie EMI jest trudne.

Oryginalne rozwiązanie układu buck-boost z pojedynczą pętlą można ulepszyć tak, aby jej powierzchnia była jak najmniejsza, poprzez zmianę rozmieszczenia tranzystorów mocy i kondensatorów. Zaletami stosowania tego rozwiązania są nie tylko mniejsze straty przełączania, ale także to, że emisje przewodzone (CE) o częstotliwości >30 MHz są tłumione dzięki małemu obszarowi pętli i mniejszemu eksponowaniu stopnia mocy. Skuteczność tej koncepcji weryfikowana jest przez porównanie zaburzeń EMI dla układu z podwójną pętlą, wykorzystującą ten sam układ scalony konwertera i te same komponenty mocy. W eksperymencie wykorzystano 4-tranzystorowy kontroler buck-boost, LT8392, oraz jego dwie płytki demonstracyjne(DC2626A rev.2 i rev.3).

Porównanie projektów obu PCB

Rysunek 1 przedstawia układ i zdjęcia zmontowanych płytek w wersjach z podwójną i pojedynczą pętlą. Każda płytka jest wykonana jako 4-warstwowa, jednak na rysunku pokazano tylko warstwę górną i dolną. Jak przedstawiono na rysunku 1(a), kondensatory pętli gorącej są umieszczone po lewej i prawej stronie środkowych tranzystorów MOSFET, tworząc dwie identyczne pętle. Przelotki w stopniu mocy służą do łączenia węzłów SW1 i SW2 z główną cewką, poprzez dolną warstwę (pokazaną na rysunku 1(c) i warstwę trzecią. Pady węzłów SW1 i SW2 na górnej warstwie są relatywnie duże, ponieważ służą do rozpraszania ciepła z głównej cewki i tranzystorów MOSFET oraz są jednocześnie źródłem emisji zakłóceń EMI. Jeśli płytka jest zamontowana w obudowie w pobliżu zacisku uziemienia, to pomiędzy obudową, a tym zaciskiem powstaje pasożytnicza pojemność. Powoduje ona przepływ sygnału o wysokiej częstotliwości ze stopnia mocy konwertera do masy. W komorze EMI zgodnej z CISPR25 to zaburzenie przepływa przez płaszczyznę uziemienia i filtry LISN. Wyeksponowany stopień mocy działa również jak antena, a tym samym powoduje emisję promieniowaną.

Pojedyncza pętla nie posiada odsłoniętej miedzi w pobliżu stopnia mocy na dolnej warstwie płytki, tak jak pokazano na rysunku 1(d). Na górnej warstwie, przedstawionej na rysunku 1(b), kondensatory odsprzęgające są umieszczone tylko po jednej stronie tranzystorów MOSFET, co umożliwia podłączenie węzła przełączającego cewkę bez użycia przelotek.

Rysunek 1.  Layout płytek z podwójną i pojedynczą pętlą.

W układzie z pojedynczą pętlą oba tranzystory (górny i dolny) nie są równo rozmieszczone, jeden z nich jest obrócony o 90 °, tak aby rozmiar pętli był jak najmniejszy. Rozmiary pętli  porównano na rysunkach 1(e) i 1(f). Żółte ramki pokazują, że pojedyncza pętla jest o połowę mniejsza od podwójnej.

Należy zauważyć, że dwa kondensatory ceramiczne w obudowach 0402 dla podwójnej pętli, pokazanej na rysunku 1(a) nie są używane, a kondensatory 1210 są dosunięte do tranzystorów MOSFET, aby utworzyć jak najmniejszy obszar pętli.

Maska lutownicza w pobliżu padów kondensatorów 0402 jest usunięta, aby zapewnić dobre połączenie z elementami o rozmiarze 1210. Ponadto usunięto maskę lutowniczą w pobliżu padów cewki, aby użyć jej także w obwodzie z pojedynczą pętlą. Mniejsza powierzchnia pętli oznacza, że ​​jej całkowita indukcyjność pasożytnicza jest mniejsza. W ten sposób straty przełączania są zmniejszone, a powstające oscylacje prądu są stłumione. Ponadto mniejsza pętla przyczynia się do niższego poziomu zaburzeń przewodzonych w paśmie powyżej 30 MHz.

Kontroler 4-tranzystorowego konwertera buck-boost firmy ADI cechuje się bardzo małą gorącą pętlą, dzięki działaniu w oparciu o opatentowany model sterowania w trybie prądowym peak buck/peak boost, w którym rezystor pomiarowy jest połączony szeregowo z główną cewką. W  rozwiązaniach stosowanych przez konkurencję  wykorzystuje się schemat sterowania w trybie prądowym valley buck/peak boost, w którym rezystor pomiarowy powinien być umieszczony między źródłem dolnych tranzystorów MOSFET, a masą. Rysunek 2 przedstawia rekomendowany layout jednego z takich konwerterów. Zaznaczona na nim żółtą ramką gorąca pętla jest większa, niż podwójna lub pojedyncza w rozwiązaniu ADI. Co więcej, pasożytnicza indukcyjność rezystora pomiarowego zwiększa całkowitą indukcyjność pasożytniczą pętli.

Rysunek 2. Rekomendowany layout konkurencyjnego konwertera buck-boost LM5176.

Porównanie emisji zakłóceń EMI

Poziom zakłóceń emitowanych w przedstawionych układach zmierzono w specjalnej komorze EMI, zgodnej z CISPR 25. Rezultaty wykonanych pomiarów oraz dopuszczalny poziom zakłóceń przedstawiono na rysunku 3. Zakłócenia elektromagnetyczne podwójnej pętli to niebieski przebieg, pojedyncza pętla to czerwony przebieg, natomiast szary przebieg to poziom szumów tła. Pomiary naniesiono na tym samym wykresie, aby porównać emisję EMI obu rozwiązań. Jak pokazano na rysunku 4, odsłonięte pola miedzi w węzłach mocy przy tranzystorach przełączających na dolnej warstwie płytki w układzie z podwójną pętlą zostały zaekranowane taśmą miedzianą, aby pokazać, jak skuteczna jest mniejsza pętla. Emisja z podwójnej pętli bez ekranu jest znacznie wyższa, niż wynik z rysunku 3. Pomiary te dotyczą konwertera o napięciu wyjściowym 12 V i prądzie 8 A. Napięcie wejściowe zostało ustawione na 13 V, aby przetwornica działała w trybie, gdzie aktywne są wszystkie 4 tranzystory.

Rysunek 3. Wykres poziomu zakłóceń EMI dla układu konwertera z podwójną i pojedynczą pętlą: (a) emisja przewodzona szczytowa i średnia – pomiar napięcia, (b) emisja przewodzona (średnia i szczytowa) – pomiar sondą prądową 50 mm od DUT, (c) emisja przewodzona – pomiar sondą prądową w odległości 750 mm od DUT, d) emisja promieniowana średnia i szczytowa

Rysunek 3a przedstawia szczytową i średnią wartość emisji przewodzonych, zmierzonych metodą napięciową. Dla pojedynczej pętli układ ma o 5 dBμV niższą wartość emisji w paśmie powyżej 30 MHz i spełnia normę CISPR 25 klasy 5, zarówno dla szczytowej, jak i średniej dopuszczalnej emisji, podczas gdy wersja z podwójną pętlą przekracza normę widoczną w paśmie FM i VHF (68 ~108 MHz), co zaznaczono żółtą ramką.

Należy zauważyć, że zmniejszenie emisji o 5 dBμV w tym zakresie częstotliwości jest naprawdę trudne. Pojedyncza pętla działa skutecznie nie tylko w zakresie wysokich częstotliwości 30 MHz, który jest najbardziej wymagającym obszarem do tłumienia, ale także przy niskich częstotliwościach (<2 MHz), które obejmują pasmo AM (0,53 MHz do ~1,8 MHz). Zawsze lepiej jest mieć niższy poziom emisji, zwłaszcza, jeśli są to urządzenia z certyfikatem CE, ponieważ wpływają one na całą sieć elektryczną.