¿Debería colocarse tierra debajo de los inductores en reguladores conmutados?

Nos encanta responder preguntas de nuestros lectores y espectadores de YouTube, y una de las preguntas recientes que recibimos se relaciona con la EMI de elementos de conmutación en un regulador de conmutación:

• ¿Se debe colocar un recorte debajo del inductor en un circuito de regulador de conmutación?

Esta es otra de esas preguntas de "depende", ya que se relaciona con el tipo de inductor que se utiliza en el diseño, la orientación de la bobina y si la fuga de flujo magnético del inductor es lo suficientemente grande como para crear un problema de ruido. Hay diferentes tipos de inductores con diferentes factores de forma, y estos inductores pueden producir diferentes perfiles de campo magnético alrededor del componente durante la operación de conmutación en un regulador de conmutación.

A pesar de las variaciones en los inductores y su comportamiento magnético, hay algunos principios generales que se pueden utilizar para juzgar los efectos de colocar tierra cerca de inductores en circuitos de reguladores de conmutación. Vamos a mirar algunos de estos principios en este artículo.

Cómo un Inductor Acopla Ruido en un Regulador de Conmutación

Cuando un inductor está operando con una corriente de conmutación en un circuito de regulador de voltaje, la corriente de conmutación genera un campo magnético. Este es un hecho básico del electromagnetismo como se describe en las ecuaciones de Maxwell. El campo magnético variable en el tiempo puede inducir entonces una fuerza electromotriz en un circuito cercano.

Consideremos por un momento el inductor de hilo bobinado mostrado en la vista 3D a continuación. Cuando una corriente de conmutación fluye a través de la bobina, habrá un campo magnético variable en el tiempo que emanará de la bobina. Si regresas a tus clases de física, sabrás que el campo magnético cambiante generado por la corriente de conmutación inducirá una corriente de Foucault en los conductores circundantes.

La región con líneas de campo casi perpendiculares a la capa de tierra en L2 inducirá una corriente de Foucault.

Diferentes tipos de inductores tendrán diferentes distribuciones del campo magnético alrededor del núcleo del inductor. La orientación del núcleo del inductor, los materiales utilizados para construir el inductor y el tipo de inductor (de hilo bobinado, de película, blindado, etc.) también importarán. En el caso anterior, tenemos una bobina de inductor orientada verticalmente. Sin embargo, si este inductor está blindado, el campo magnético generado por la corriente de conmutación estará mayormente contenido dentro del paquete del inductor. Otros paquetes como los inductores toroidales ayudan a contener el flujo dentro de la bobina envuelta.

Aún se Experimenta una FEM Inductiva y Corrientes en los Recortes

Si colocas un recorte, todavía habrá un campo electromagnético (EMF) y una corriente inducida resultante en la capa del plano cercano. En el ejemplo a continuación, si asumimos que el campo magnético apunta hacia el recorte, entonces la corriente inducida resultante sería en el sentido de las agujas del reloj, como se muestra a continuación.

Si cortamos este plano de masa a través de todas las capas, ahora tenemos una situación muy mala donde estamos induciendo estas corrientes en todas las capas. También permite que el campo magnético se emane alrededor del PCB, mientras que el caso con GND normalmente protegería contra esto. Esto es muy malo desde una perspectiva de EMC. Colocar la masa debajo del inductor bloqueará este campo magnético de pasar a través de la placa y posiblemente interferir con otros componentes; creo que esta es una justificación apropiada para usarlo debajo del inductor.

Cómo las Corrientes Inducidas Magnéticamente Afectan la Operación

La lógica anterior sostiene que, si se coloca la tierra debajo del inductor, el campo magnético generará corrientes parásitas en la capa siguiente. Estas corrientes parásitas generarán su propio campo magnético que se opone al campo magnético del inductor. El razonamiento es que el inductor tendrá una inductancia "equivalente" más baja porque el campo magnético total creado por la corriente de conmutación es menor. Si quieres, también podrías pensar esto en términos de la inductancia mutua entre la bobina del inductor y el plano; esto reduce la inductancia total del sistema.

El resultado supuesto sería entonces ruido que se induce en otros circuitos. Sin embargo, la tierra proporciona cierto blindaje con respecto a circuitos y enrutamientos en capas internas, lo que confina el ruido cerca de la capa superficial. Ya sea que coloques o no el recorte, la corriente parásita y el ruido estarían allí de todos modos, por lo que tendrás que tolerar algo de ruido en circuitos cercanos al inductor. Dado que la mejor opción es proteger contra este ruido en todas las demás capas, estoy a favor de la tierra debajo del inductor. Acercar la tierra a los elementos en tu regulador de potencia también es generalmente una buena idea para el control sobre los parásitos.

Resumen

Tenemos un par de resultados principales de la discusión anterior:

1. Colocar tierra debajo del inductor reduce su inductancia efectiva; acercar tierra al inductor produce una mayor disminución en la inductancia
2. Colocar tierra debajo del inductor ayuda a proteger otros circuitos en capas internas/traseras del ruido directamente del núcleo del inductor, pero ten cuidado si los bucles de conmutación están dispersos a través del apilado ya que es posible inducir ruido en pistas cercanas

Para concluir, es justo decir que colocar tierra debajo del nodo de conmutación y del inductor en un diseño de PCB de un regulador conmutado no es problemático si estás dispuesto a sacrificar un poco de inductancia debido a la presencia de corrientes de Foucault en el cobre adyacente. Una mejor opción es combinar esto con un inductor blindado; obtienes el beneficio de tener tierra para el blindaje y el paquete del inductor contendrá mejor el campo magnético. El problema con el ruido en la capa superior se soluciona mediante un diseño adecuado y un blindaje adicional colocando las redes GND más cerca de la circuitería de control y cualquier pista sensible. Mark Harris proporciona un buen ejemplo en un proyecto antiguo.

En lo que respecta al nodo de conmutación, puede haber cierto debate sobre si colocar tierra cerca del nodo de conmutación causa un acoplamiento de ruido excesivo lejos del nodo de conmutación y hacia la tierra. Mientras la capacitancia del elemento rectificador sea lo suficientemente grande, el camino de menor impedancia será a través del elemento rectificador en lugar de a través del acoplamiento capacitivo de vuelta al plano de tierra cercano. En la mayoría de los casos, esta es la capacitancia terminal de los MOSFETs rectificadores.

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