Minimalizacja zjawisk pasożytniczych w zasilaczach przełączających

Zasilacze impulsowe (przełączające) swoją popularność zawdzięczają sprawności i elastyczności. Jednak ich nowe zastosowania stwarzają też wyzwania. Przede wszystkim ich przełączanie przy wysokiej częstotliwości może indukować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) w pozostałej części układu. Ponadto te same czynniki, które mogą prowadzić do zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zmniejszają również sprawność, podważając jedną z kluczowych zalet zasilaczy przełączających.

Aby uniknąć tych problemów, projektanci muszą zachować szczególną ostrożność podczas konfigurowania „gorącej pętli”, czyli części obwodu zasilania, w której następuje szybkie przełączanie. Niezbędna jest minimalizacja strat pasożytniczych w gorącej pętli spowodowanych równoważną rezystancją szeregową (ESR) i równoważną indukcyjnością szeregową (ESL). Można to osiągnąć, wybierając wysoce zintegrowane komponenty zasilania i starannie projektując układ płytki drukowanej.

W niniejszym artykule przedstawiono gorące pętle i źródła strat pasożytniczych, w tym kondensatory sprzęgające, tranzystory polowe mocy (FET) i przelotki do płytek drukowanych. Następnie przedstawiono przykład wysoce zintegrowanej przetwornicy mocy firmy Analog Devices i zaprezentowano różne układy płytek drukowanych oraz ich wpływ na parametry pasożytnicze. Artykuł kończy się praktycznymi wskazówkami dotyczącymi redukcji równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i równoważnej indukcyjności szeregowej (ESL).

Podstawy gorących pętli zasilaczy przełączających

W zasilaczu o dowolnej konstrukcji, która wymaga szybkiego przełączania prądów, jak np. w przetwornicach podwyższających, obniżająco-podwyższających i typu flyback, będzie występować gorąca pętla z prądami przełączanymi z wysokimi częstotliwościami. Koncepcja ta została zilustrowana na przykładzie uproszczonej przetwornicy obniżającej, znanej również jako przetwornica typu „buck” (ilustracja 1). Pętla po lewej stronie (czerwona) zawiera wszystkie elementy przełączające. Prądy wysokiej częstotliwości generowane przez obwód są w nim zamknięte, tworząc gorącą pętlę.

Ilustracja 1: uproszczona przetwornica obniżająca ilustruje zasadę gorącej pętli, zaznaczonej kolorem czerwonym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Termin „gorący” wynika ze znacznej konwersji energii i czynności przełączania zachodzących w tym obszarze obwodu, którym często towarzyszy wytwarzanie ciepła. Właściwy układ i konstrukcja wspomnianych gorących pętli ma kluczowe znaczenie dla zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zapewnienia wysokiej sprawności zasilacza.

Bardziej realistyczny obwód na ilustracji 2 przedstawia synchroniczną przetwornicę obniżającą prądu stałego. W przypadku tej gorącej pętli, komponentami fizycznymi (oznaczonymi kolorem czarnym) są kondensator wejściowy (CIN) oraz przełączające polowe tranzystory tlenkowe FET (MOSFET), M1 i M2.

Ilustracja 2: w rzeczywistych gorących pętlach zawsze znajdą się pewne parametry pasożytnicze - tutaj oznaczone kolorem czerwonym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Parametry pasożytnicze w gorącej pętli są oznaczone kolorem czerwonym. Równoważna indukcyjność szeregowa (ESL) zwykle jest rzędu nanohenrów (nH), podczas gdy równoważna rezystancja szeregowa (ESR) jest rzędu miliomów (mΩ). Przełączanie wysokiej częstotliwości powoduje oscylacje komutacyjne w równoważnych indukcyjnościach szeregowych (ESL), skutkujące zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Energia zmagazynowana w równoważnej indukcyjności szeregowej (ESL) jest następnie rozpraszana przez równoważną rezystancję szeregową (ESR), co prowadzi do strat mocy.

Minimalizacja parametrów pasożytniczych przy użyciu komponentów zintegrowanych

Wspomniane impedancje pasożytnicze, tj. równoważna rezystancja szeregowa (ESR) i równoważna indukcyjność szeregowa (ESL), występują w komponentach i na ścieżkach płytki drukowanej z gorącą pętlą. Aby zminimalizować te parametry, projektanci muszą starannie dobierać komponenty i zoptymalizować układ płytki drukowanej.

Jednym ze sposobów osiągnięcia obu celów jest użycie komponentów zintegrowanych. Eliminują one ścieżki na płytce drukowanej wymagane do łączenia komponentów dyskretnych, a jednocześnie zmniejszają ogólną powierzchnię gorącej pętli. I jedno i drugie przyczynia się do zmniejszenia impedancji pasożytniczej.

Doskonałym przykładem wysoce zintegrowanego komponentu jest regulator obniżający µModule LTM4638 firmy Analog Devices. Jak pokazano na ilustracji 3, regulator przełączający 15A zawiera kontroler przełączający, tranzystory mocy FET, cewkę indukcyjną i komponenty pomocnicze, a wszystko to w niewielkiej obudowie o wymiarach 6,25 × 6,25 × 5,02mm.

Ilustracja 3: regulator µModule LTM4638 zawiera wiele komponentów potrzebnych w przetwornicach obniżających. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Urządzenie LTM4638 posiada szereg innych cech, które zmniejszają straty pasożytnicze. Są to między innymi:

• Szybka odpowiedź impulsowa: pozwala regulatorowi na szybką regulację napięcia wyjściowego w odpowiedzi na zmiany w obciążeniu lub wejściu, minimalizując czas trwania i wpływ strat pasożytniczych poprzez szybkie wychodzenie z nieoptymalnych stanów pracy.
• Praca w trybie nieciągłym: pozwala na obniżenie prądu cewki indukcyjnej do zera przed rozpoczęciem następnego cyklu przełączania. Ten tryb jest zwykle używany w warunkach niewielkiego obciążenia, zmniejsza straty przełączania i straty w rdzeniu w cewce indukcyjnej poprzez odłączenie napięcia w części cyklu.
• Śledzenie napięcia wyjściowego: umożliwia dostosowywanie parametrów na wyjściu przetwornicy do referencyjnego napięcia wejściowego. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu narastaniem i spadkiem napięcia wyjściowego, funkcja ta zmniejsza prawdopodobieństwo przeregulowania lub niedoregulowania, które mogłoby nasilać straty pasożytnicze.

Minimalizacja parametrów pasożytniczych dzięki rozmieszczeniu komponentów

Zbudowanie synchronicznej przetwornicy obniżającej z użyciem urządzenia LTM4638 wymaga dodania kondensatorów wejściowych i wyjściowych, CIN oraz COUT. Usytuowanie tych kondensatorów może mieć znaczący wpływ na parametry pasożytnicze.

Wpływ umiejscowienia CIN ilustrują eksperymenty przeprowadzone przez firmę Analog Devices z płytką ewaluacyjną DC2665A-B dla urządzenia LTM4638.Wspomnianą płytkę zastąpiono już urządzeniem DC2665B-B, ale obowiązują te same zasady. Ilustracje od 4 do 6 ukazują trzy różne układy dla CIN i odpowiadające im gorące pętle. W przypadku pionowych gorących pętli 1 (ilustracja 4) i 2 (ilustracja 5), CIN umieszczono na dolnej warstwie, odpowiednio bezpośrednio pod regulatorem lub z jego boku. W przypadku poziomej gorącej pętli (ilustracja 6), kondensator umieszczono na górnej warstwie.

Ilustracja 4: pionowa gorąca pętla nr 1 - widok z dołu i z boku. CIN znajduje się bezpośrednio pod regulatorem i jest połączony przelotkami. (Źródło ilustracji: Analog Devices)Ilustracja 5: pionowa gorąca pętla nr 2 - widok z dołu i z boku. CIN umieszczono poniżej regulatora, ale obok niego, co wymaga wykonania ścieżek i przelotek na płytce drukowanej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)Ilustracja 6: pozioma gorąca pętla - widok z góry i z boku. CIN znajduje się na górnej warstwie i łączy się z regulatorem za pomocą ścieżek. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pionowa gorąca pętla nr 1 charakteryzuje się najkrótszą drogą przepływu i pozwala uniknąć stosowania ścieżek na płytkach drukowanych. W związku z tym należałoby oczekiwać, że będzie ona miała najniższe parametry pasożytnicze. Analiza poszczególnych gorących pętli za pomocą oprogramowania FastHenry przy częstotliwości 600kHz i 200MHz pokazuje, że tak właśnie jest (ilustracja 7).

GORĄCA PĘTLAESR (ESR1 + ESR2) PRZY 600KHZESR (ESR1 + ESR2) PRZY 200KHZPionowa gorąca pętla nr 10,7mΩ0,54nHPionowa gorąca pętla nr 22,5mΩ1,17nHPozioma gorąca pętla3,3mΩ0,84nH

Ilustracja 7: zgodnie z oczekiwaniami, najkrótsza droga przepływu miała najniższą impedancję pasożytniczą. (Źródło ilustracji: Analog Devices, zmodyfikowane przez autora)

Chociaż wspomnianych parametrów pasożytniczych nie można bezpośrednio zmierzyć, można przewidzieć i przetestować ich skutki. W szczególności niższa równoważna rezystancja szeregowa (ESR) powinna prowadzić do wyższej sprawności, podczas gdy niższa równoważna indukcyjność szeregowa (ESL) powinna skutkować niższymi tętnieniami. Weryfikacja eksperymentalna potwierdziła te przewidywania, a pionowa gorąca pętla nr 1 wykazywała lepsze parametry działania w przypadku obu wskaźników (ilustracja 8).

Ilustracja 8: wyniki eksperymentu potwierdzają, że pionowa gorąca pętla nr 1 osiąga lepszą sprawność i tętnienia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Minimalizacja parametrów pasożytniczych dla komponentów dyskretnych

Chociaż urządzenia zintegrowane oferują wiele zalet, niektóre zasilacze przełączające wymagają komponentów dyskretnych. Na przykład zastosowanie o dużej mocy może wykraczać poza możliwości urządzeń zintegrowanych. W takich przypadkach rozmieszczenie dyskretnych tranzystorów mocy FET i rozmiar ich obudów może znacząco wpłynąć na równoważną rezystancję szeregową (ESR) i równoważną indukcyjność szeregową (ESL) gorącej pętli. Wpływ ten można zaobserwować, testując dwie płytki ewaluacyjne, zawierające wysokosprawne, 4-przełącznikowe synchroniczne kontrolery obniżająco-podwyższające, jak pokazano na ilustracji 9:

• Płytka ewaluacyjna DC2825A jest oparta na regulatorze obniżająco-podwyższającym LT8390. Jej tranzystory MOSFET są umieszczone równolegle, tj. w tej samej orientacji.
• Płytka ewaluacyjna DC2626A jest oparta na regulatorze obniżająco-podwyższającym LT8392. Posiada dwie pary tranzystorów MOSFET umieszczone pod kątem 90˚.

Ilustracja 9: w urządzeniu DC2825A (po lewej) tranzystory MOSFET są ustawione równolegle, natomiast w DC2626A (po prawej) pod kątem 90˚. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Obie płytki zostały przetestowane przy użyciu identycznych tranzystorów MOSFET i kondensatorów w konfiguracji obniżającej napięcie z 36 do 12V przy 10A i częstotliwości 300kHz. Wyniki pokazały, że umiejscowienie tranzystorów na płytce drukowanej pod kątem 90˚ zapewniło niższe tętnienia napięcia i wyższą częstotliwość rezonansową, co wskazuje na mniejszą równoważną indukcyjność szeregową (ESL) płytki drukowanej na skutek krótszej drogi przepływu w gorącej pętli (ilustracja 10).

Ilustracja 10: urządzenie DC2626A z rozmieszczeniem tranzystorów MOSFET pod kątem 90˚ charakteryzuje się niższymi tętnieniami i wyższą częstotliwością rezonansową. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pozostałe zagadnienia dotyczące układu

Na równoważną rezystancję szeregową (ESR) i równoważną impedancję szeregową (ESL) wpływ ma także rozmieszczenie przelotek w gorącej pętli. Ogólnie rzecz biorąc, dodanie większej liczby przelotek zmniejsza impedancję pasożytniczą płytki drukowanej. Jednak to obniżenie nie jest liniowo proporcjonalne do liczby przelotek. Przelotki bliżej pól kontaktowych znacznie zmniejszają równoważną rezystancję szeregową (ESR) i równoważną indukcyjność szeregową (ESL). Dlatego w pobliżu pól kluczowych komponentów (CIN oraz µModule lub tranzystorów MOSFET), aby zminimalizować impedancję gorącej pętli, należy umieszczać wiele przelotek.

Istnieje wiele innych sposobów poprawę parametrów elektrycznych i termicznych. Oto przykładowe najlepsze praktyki optymalizacji gorącej pętli:

• Wykorzystanie dużych miedzianych powierzchni na płytkach drukowanych dla dróg przepływu wysokiego prądu, w tym VIN, VOUT oraz uziemienia, w celu zminimalizowania strat przewodzenia i naprężeń termicznych na płytce drukowanej.
• Umieszczenie specjalnej warstwy masy pod urządzeniem.
• Użycie wielu przelotek do połączeń między górną i innymi warstwami zasilającymi, aby zminimalizować straty przewodzenia i zmniejszyć naprężenia termiczne modułu.
• Nieumieszczanie przelotek bezpośrednio na polu, chyba że są one osłonięte lub powlekane.
• Używanie oddzielnego miedzianego obszaru masy sygnałowej do komponentów podłączonych do wtyków sygnałowych, łączący masę sygnałową z głównym wtykiem masy pod urządzeniem.
• Wyprowadzanie punktów pomiarowych na wtyki sygnałowe w celu monitorowania.
• Zachowanie separacji pomiędzy ścieżkami sygnału zegara i ścieżkami wejścia częstotliwości w celu minimalizacji możliwości wystąpienia szumów spowodowanych przesłuchami.

Podsumowanie

Na parametry działania zasilacza przełączającego duży wpływ mają parametry pasożytnicze w gorącej pętli. Minimalizacja tych parametrów ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiej sprawności i niskich zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Jednym z najprostszych sposobów osiągnięcia tych celów jest zastosowanie zintegrowanych modułów regulatorów. Jednak zasilacze przełączające zwykle wymagają użycia dodatkowych komponentów, takich jak kondensatory, dlatego istotne jest zrozumienie konsekwencji układów gorącej pętli.

Źródło: Minimalizacja zjawisk pasożytniczych w zasilaczach przełączających

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!