Sollte die Masse unter Induktoren in Schaltreglern platziert werden?

Wir beantworten gerne Fragen unserer Leser und YouTube-Zuschauer, und eine der kürzlich gestellten Fragen bezieht sich auf EMI von Schaltelementen in einem Schaltregler:

• Sollte unter der Spule in einem Schaltreglerkreis eine Aussparung vorgesehen werden?

Dies ist wieder eine jener „Es kommt darauf an“-Fragen, da sie sich auf den Typ der verwendeten Spule im Design, die Spulenausrichtung und darauf bezieht, ob die magnetische Flussleckage der Spule groß genug ist, um ein Geräuschproblem zu verursachen. Es gibt verschiedene Typen von Spulen mit unterschiedlichen Formfaktoren, und diese Spulen können während des Schaltbetriebs in einem Schaltregler unterschiedliche magnetische Feldprofile um die Komponente herum erzeugen.

Trotz der Variationen in Spulen und ihrem magnetischen Verhalten gibt es einige allgemeine Prinzipien, die verwendet werden können, um die Auswirkungen der Platzierung von Masse in der Nähe von Spulen in Schaltreglerkreisen zu beurteilen. Wir werden uns einige dieser Prinzipien in diesem Artikel ansehen.

Wie eine Spule in einem Schaltregler Geräusche koppelt

Wenn eine Spule mit einem Schaltstrom in einem Spannungsreglerkreis betrieben wird, erzeugt der Schaltstrom ein magnetisches Feld. Dies ist eine grundlegende Tatsache des Elektromagnetismus, wie in den Maxwellschen Gleichungen beschrieben. Das zeitlich veränderliche magnetische Feld kann dann eine elektromotorische Kraft in einem nahegelegenen Schaltkreis induzieren.

Lassen Sie uns einen Moment den drahtgewickelten Induktor betrachten, der unten in der 3D-Ansicht gezeigt wird. Wenn ein Schaltstrom durch die Spule fließt, wird ein zeitlich veränderliches Magnetfeld von der Spule ausgehen. Wenn Sie sich an Ihre Physikstunden erinnern, wissen Sie, dass das sich ändernde Magnetfeld, das durch den Schaltstrom erzeugt wird, einen Wirbelstrom in umgebenden Leitern induzieren wird.

Die Region mit Feldlinien, die nahezu senkrecht zur Grundschicht auf L2 sind, wird einen Wirbelstrom induzieren.

Verschiedene Arten von Induktoren werden unterschiedliche Verteilungen des Magnetfeldes um den Induktorkern haben. Die Orientierung des Induktorkerns, die Materialien, die zum Bau des Induktors verwendet werden, und die Art des Induktors (drahtgewickelt, Folientyp, abgeschirmt usw.) werden ebenfalls eine Rolle spielen. Im oben genannten Fall haben wir eine vertikal orientierte Induktorspule. Wenn dieser Induktor jedoch abgeschirmt ist, wird das durch den Schaltstrom erzeugte Magnetfeld größtenteils innerhalb des Induktorpakets enthalten sein. Andere Pakete wie toroidale Induktoren helfen, den Fluss innerhalb der gewickelten Spule zu enthalten.

Aussparungen erfahren immer noch eine induktive EMK und Ströme

Wenn Sie eine Aussparung platzieren, wird dennoch ein EMF und der resultierende Strom in der nahegelegenen Plattenebene induziert. In dem untenstehenden Beispiel, wenn wir annehmen, dass das Magnetfeld in die Aussparung zeigt, dann wäre die resultierende Stromschleife, wie unten gezeigt, im Uhrzeigersinn.

Wenn wir diesen Boden durch alle Schichten schneiden, haben wir jetzt eine sehr schlechte Situation, in der wir diese Ströme auf allen Schichten induzieren. Es ermöglicht auch, dass das Magnetfeld um die Leiterplatte herum ausstrahlt, wohingegen der Fall mit GND dies normalerweise abschirmen würde. Dies ist aus einer EMC-Perspektive sehr schlecht. Das Platzieren des Bodens unter der Spule wird dieses Magnetfeld blockieren, sodass es nicht durch die Platine hindurchgeht und möglicherweise mit anderen Komponenten interferiert; ich denke, dies ist eine angemessene Rechtfertigung dafür, es unter der Spule zu verwenden.

Wie die magnetisch induzierten Ströme den Betrieb beeinflussen

Die Logik oben besagt, dass, wenn das Ground (Masse) unter der Spule platziert wird, das magnetische Feld Wirbelströme in der nächsten Schicht erzeugen wird. Diese Wirbelströme werden ihr eigenes magnetisches Feld erzeugen, das dem magnetischen Feld der Spule entgegenwirkt. Die Überlegung ist, dass die Spule eine geringere „äquivalente“ Induktivität haben wird, weil das gesamte durch den Schaltstrom erzeugte magnetische Feld geringer ist. Wenn Sie möchten, könnten Sie dies auch im Hinblick auf die gegenseitige Induktivität zwischen der Spulenwicklung und der Ebene denken; dies verringert die gesamte Induktivität des Systems.

Das vermutete Ergebnis wäre dann Lärm, der in anderen Schaltkreisen induziert wird. Jedoch bietet das Ground eine gewisse Abschirmung in Bezug auf Schaltkreise und Routing auf internen Schichten, was den Lärm nahe der Oberflächenschicht begrenzt. Ob Sie nun den Ausschnitt platzieren oder nicht, der Wirbelstrom und Lärm wären sowieso vorhanden, also müssen Sie etwas Lärm in Schaltkreisen in der Nähe der Spule tolerieren. Da die bessere Option ist, gegen diesen Lärm in allen anderen Schichten abzuschirmen, bin ich für ein Ground unter der Spule. Das Ground näher an die Elemente in Ihrem Spannungsregler zu bringen, ist generell auch eine gute Idee für Kontrolle über Parasiten.

Zusammenfassung

Wir haben ein paar Hauptergebnisse aus der obigen Diskussion:

1. Das Platzieren von Masse unterhalb der Induktivität verringert deren effektive Induktivität; das Näherbringen der Masse an die Induktivität führt zu einer stärkeren Verringerung der Induktivität
2. Das Platzieren von Masse unterhalb der Induktivität hilft, andere Schaltkreise auf internen/rückseitigen Lagen vor Störungen direkt vom Induktivitätskern abzuschirmen, aber seien Sie vorsichtig, wenn die Schaltkreise über den Stackup verteilt sind, da es möglich ist, Störungen auf benachbarten Leiterbahnen zu induzieren

Zum Abschluss lässt sich fairerweise sagen, dass das Platzieren von Masse unterhalb des Schaltpunkts und der Induktivität in einem Layout für einen Schaltregler-PCB kein Problem darstellt, wenn Sie bereit sind, ein wenig Induktivität aufgrund der Präsenz von Wirbelströmen im angrenzenden Kupfer zu opfern. Eine bessere Option ist es, dies mit einer abgeschirmten Induktivität zu kombinieren; Sie profitieren vom Vorhandensein von Masse zur Abschirmung und das Induktivitätsgehäuse wird das magnetische Feld besser einschließen. Das Problem mit Störungen auf der obersten Lage wird durch ein angemessenes Layout und zusätzliche Abschirmung gelöst, indem die GND-Netze näher an die Steuerschaltungen und alle empfindlichen Leiterbahnen platziert werden. Mark Harris liefert ein schönes Beispiel in einem älteren Projekt.

Was den Schaltpunkt betrifft, so kann es einige Diskussionen darüber geben, ob das Platzieren von Masse in der Nähe des Schaltpunkts übermäßiges Rauschkoppeln weg vom Schaltpunkt und in die Masse verursacht. Solange die Kapazität des Gleichrichterelements groß genug ist, wird der Weg der geringsten Impedanz durch das Gleichrichterelement und nicht durch kapazitive Kopplung zurück zur nahen Masseebene führen. In den meisten Fällen ist dies die Endkapazität der gleichrichtenden MOSFETs.

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