Jak minimalizovat parazity ve spínaných napájecích zdrojích

Impulzně řízené (spínané) napájecí zdroje jsou oblíbené pro svou účinnost a flexibilitu. Přinášejí také výzvy, protože rozšiřují svůj dosah na nové aplikace. Nejpozoruhodnější je, že jejich vysokofrekvenční spínání může ve zbytku systému vyvolat elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI). Kromě toho stejné faktory, které mohou vést k EMI, snižují také účinnost a podkopávají jednu z klíčových výhod spínaných napájecích zdrojů.

K tomu, aby se těmto problémům předešlo, musí konstruktéři věnovat zvláštní pozornost konfiguraci „horké smyčky“, části napájecího obvodu, kde dochází k rychlému spínání. Je nezbytné minimalizovat parazitní ztráty horké smyčky v důsledku ekvivalentního sériového odporu („equivalent series resistance“, ESR) a ekvivalentní sériové indukčnosti („equivalent series inductance“, ESL). Toho lze dosáhnout výběrem vysoce integrovaných součástek napájecího zdroje a pečlivým rozvržením desky plošných spojů (DPS).

V tomto článku jsou představeny horké smyčky a zdroje parazitních ztrát, včetně vazebních kondenzátorů, výkonových tranzistorů řízených elektrickým polem („field-effect transistor“, FET) a prokovů desky plošných spojů. Poté je zde ukázán příklad vysoce integrovaného výkonového převodníku od společnosti Analog Devices a představena různá rozložení desek plošných spojů a jejich vliv na parazitní parametry. Na závěr článku jsou uvedeny praktické tipy ke snížení ESR a ESL.

Základy horkých smyček spínaných napájecích zdrojů

Jakákoli konstrukce napájecího zdroje, která zahrnuje rychle spínané proudy, jako jsou boost převodníky, buck-boost převodníky a převodníky typu „flyback“, bude mít horké smyčky s proudy spínanými při vysokých frekvencích. Tento koncept je ilustrován pomocí zjednodušeného buck převodníku, známého také jako snižovací převodník (obrázek 1). Smyčka vlevo (červená) obsahuje všechny spínací prvky. Vysokofrekvenční proudy generované obvodem jsou obsaženy uvnitř a tvoří horkou smyčku.

Obrázek 1: Zjednodušený buck převodník ilustruje princip horké smyčky, zvýrazněné červeně. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

„Horký“ aspekt pochází z významné přeměny energie a spínacích činností probíhajících v této oblasti obvodu, často doprovázených generováním tepla. Klíčové k minimalizaci EMI a zajištění efektivního provozu napájecího zdroje je správné uspořádání a konstrukce těchto horkých smyček.

Realističtější obvod na obrázku 2 ukazuje DC-DC synchronní buck převodník. Pro tuto horkou smyčku jsou fyzickými součástkami (označenými černě) vstupní kondenzátor (C_IN) a spínací metaloxidové polovodičové tranzistory FET (MOSFET), M1 a M2.

Obrázek 2: Reálné horké smyčky nevyhnutelně zahrnují parazitní parametry, znázorněné červeně. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Parazitní parametry jsou v horké smyčce označeny červeně. ESL je typicky v rozsahu nanohenrů, zatímco ESR je v rozsahu miliohmů. Vysokofrekvenční spínání způsobuje v rámci ESL kmitání, což má za následek EMI. Energie uložená v ESL je pak rozptýlena ESR, což vede ke ztrátě výkonu.

Minimalizace parazitních parametrů pomocí integrovaných součástek

Tyto parazitní impedance (ESR, ESL) se vyskytují v součástkách a podél spojů desky plošných spojů horké smyčky. Chtějí-li konstruktéři tyto parametry minimalizovat, musí pečlivě vybírat součástky a optimalizovat rozložení desky plošných spojů.

Jedním ze způsobů, jak dosáhnout obou cílů, je použití integrovaných součástek. Ty eliminují spoje na desce plošných spojů potřebné pro připojení diskrétních součástek a zároveň zmenšují celkovou plochu horké smyčky. Obojí přispívá ke snížení parazitní impedance.

Vynikajícím příkladem vysoce integrované součástky je snižovací regulátor µModule LTM4638 od společnosti Analog Devices. Jak je znázorněno na obrázku 3, tento 15ampérový spínací regulátor má v sobě integrován spínací regulátor, výkonové tranzistory FET, induktor a podpůrné součástky, vše v malém pouzdru o rozměrech 6,25 × 6,25 × 5,02 mm.

Obrázek 3: Regulátor µModule LTM4638 má v sobě integrováno mnoho součástek potřebných pro buck převodník. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Zařízení LTM4638 obsahuje několik dalších funkcí, které snižují parazitní ztráty. Patří mezi ně následující:

• Rychlá přechodová odezva: To umožňuje regulátoru v reakci na změny zátěže nebo vstupu rychle upravit výstupní napětí, minimalizovat dobu trvání a dopad parazitních ztrát díky rychlému přechodu přes suboptimální provozní stavy.
• Provoz v nespojitém režimu: To umožňuje, aby proud induktoru klesl před začátkem dalšího spínacího cyklu na nulu. Tento režim, který se obvykle používá při nízké zátěži, snižuje spínací ztráty a ztráty jádra v induktoru tím, že jej na část cyklu odpojí od napájení.
• Sledování výstupního napětí: To umožňuje výstupu převodníku sledovat referenční vstupní napětí. Přesným řízením nárůstu a poklesu výstupního napětí snižuje tato funkce pravděpodobnost překmitů nebo podkmitů, které mohou zhoršit parazitní ztráty.

Minimalizace parazitních parametrů umístěním součástek

Konstrukce synchronního buck převodníku s regulátorem LTM4638 vyžaduje přidání objemných vstupních a výstupních kondenzátorů, C_IN a C_OUT. Umístění těchto kondenzátorů může mít na parazitní parametry významný vliv.

Experimenty společnosti Analog Devices s vyhodnocovací deskou DC2665A-B pro regulátor LTM4638 ilustrují vliv umístění C_IN.Od té doby nahradil tuto desku model DC2665B-B, ale platí stále stejné zásady. Na obrázcích 4 až 6 jsou uvedena tři různá uspořádání pro C_IN a odpovídající horké smyčky. Vertikální horké smyčky 1 (obrázek 4) a 2 (obrázek 5) umísťují C_IN na spodní vrstvu, přímo pod regulátor, resp. na stranu. Horizontální horká smyčka (obrázek 6) umísťuje kondenzátor na horní vrstvu.

Obrázek 4: Vertikální horká smyčka 1, spodní a boční pohled. C_IN je přímo pod regulátorem, připojený přes prokovy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 5: Vertikální horká smyčka 2, spodní a boční pohled. C_IN je dole, ale vedle regulátoru, což vyžaduje spoje a prokovy na desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 6: Vertikální horká smyčka, horní a boční pohled. C_IN je na vrchní vrstvě, připojuje se k regulátoru přes spoje. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Vertikální horká smyčka 1 má nejkratší cestu a nepoužívá spoje desky plošných spojů. Dalo by se tedy očekávat, že bude mít nejnižší parazitní parametry. Analýza jednotlivých horkých smyček pomocí FastHenry při 600 kHz a 200 MHz ukazuje, že tomu tak je (obrázek 7).

Obrázek 7: Podle očekávání měla nejkratší cesta nejnižší parazitní impedanci. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, upraveno autorem)

Tyto parazitní parametry nelze sice přímo měřit, lze však jejich účinky předvídat a testovat. Konkrétně by nižší ESR mělo vést k vyšší účinnosti, zatímco nižší ESL by mělo vést k nižšímu zvlnění. Experimentální ověření tyto předpovědi potvrdilo, přičemž vertikální horká smyčka 1 prokázala v obou metrikách lepší výkon (obrázek 8).

Obrázek 8: Experimentální výsledky potvrzují, že vertikální horká smyčka 1 dosahuje lepší účinnosti a zvlnění. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Minimalizace parazitních parametrů pomocí diskrétních součástek

Přestože integrovaná zařízení nabízejí mnoho výhod, některé spínané napájecí zdroje vyžadují diskrétní součástky. Možnosti integrovaných zařízení může například přesahovat aplikace s vysokým výkonem. V takových případech může umístění a velikost pouzdra diskrétních výkonových tranzistorů FET významně ovlivnit ESR a ESL horké smyčky. Tyto dopady lze vidět při testování dvou vyhodnocovacích desek, přičemž obě obsahují vysoce účinné synchronní buck-boost regulátory se 4 spínači, jak je znázorněno na obrázku 9:

• Vyhodnocovací deska DC2825A je založena na buck-boost regulátoru LT8390. Jeho tranzistory MOSFET jsou umístěny paralelně, tzn. se stejnou orientací.
• Vyhodnocovací deska DC2626A je založena na buck-boost regulátoru LT8392. Má dva páry tranzistorů MOSFET umístěné pod úhlem 90°.

Obrázek 9: Zařízení DC2825A (vlevo) má tranzistory MOSFET umístěné paralelně, zatímco zařízení DC2626A (vpravo) je má umístěné pod úhly 90°. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tyto dvě desky byly testovány s použitím identických tranzistorů MOSFET a kondenzátorů při 36- až 12voltovém snižovacím provozu při 10 A a 300 kHz. Výsledky ukázaly, že umístění pod úhlem 90˚ mělo nižší zvlnění napětí a vyšší rezonanční frekvenci, což ukazuje na menší ESL desky plošných spojů kvůli kratší trase horké smyčky (obrázek 10).

Obrázek 10: Zařízení DC2626A s tranzistory MOSFET uspořádanými pod úhlem 90˚ vykazuje nižší zvlnění a vyšší rezonanční frekvenci. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Další aspekty rozložení

Vliv na ESR a ESL smyčky mají také umístění prokovů nahoře v horké smyčce. Obecně platí, že přidání více prokovů snižuje parazitní impedanci desky plošných spojů. Snížení však není lineárně úměrné počtu prokovů. ESR a ESL výrazně snižují prokovy blíže k podložkám s vývody. Vícenásobné prokovy by proto měly být umístěny blízko podložek kritických součástek (C_IN a µModule nebo tranzistor MOSFET), aby se minimalizovala impedance horké smyčky.

Existuje mnoho dalších způsobů, jak pozitivně ovlivnit elektrický a tepelný výkon. Chcete-li optimalizovat horkou smyčku, mezi osvědčené postupy patří:

• Použijte velké měděné plochy na desce plošných spojů pro vysokoproudové cesty, včetně V_IN, V_OUT a uzemnění, aby se minimalizovaly ztráty vedení desky plošných spojů a tepelné namáhání.
• Pod jednotku umístěte vyhrazenou napájecí zemnicí vrstvu.
• K propojení mezi horní a ostatními výkonovými vrstvami použijte více prokovů, abyste minimalizovali ztráty vedení a snížili tepelné namáhání modulu.
• Nepokládejte prokovy přímo na podložku, pokud nejsou uzavřené nebo překryté.
• Pro součástky připojené k pinům signálu použijte oddělenou měděnou oblast signálové země a připojte signálovou zem k hlavnímu zemnicímu pinu pod jednotkou.
• Na pinech signálu vytáhněte testovací body pro monitorování.
• Dodržujte oddělení mezi spoji taktovacího signálu a frekvenčními vstupy, abyste minimalizovali možnost šumu v důsledku přeslechů.

Závěr

Výkon spínaného zdroje silně ovlivňují parazitní parametry v horké smyčce. K dosažení vysoké účinnosti a nízkého EMI je zásadní minimalizace těchto parametrů.

Jedním z nejjednodušších způsobů, jak těchto cílů dosáhnout, je použití integrovaných modulů regulátoru. Spínané napájecí zdroje však obvykle vyžadují použití objemných součástek, jako jsou kondenzátory, takže je nezbytné porozumět důsledkům uspořádání horké smyčky.