Diseño del regulador conmutado: ¿Una o dos capas?

Eche un vistazo al diseño típico de un regulador conmutado en un PCB; usualmente, todo se coloca en una sola capa por múltiples razones. A veces, como en escenarios de baja potencia, el circuito es físicamente pequeño, por lo que realmente no hay necesidad de usar dos capas para ahorrar espacio. Para reguladores conmutados más grandes, el tamaño físicamente grande de los componentes significa que colocarlos en dos capas podría ahorrar algo de espacio en teoría, pero esto hace que la colocación dentro de un recinto sea más difícil debido a las restricciones de montaje.

Cuando tienes un regulador conmutado de tamaño medio, que podría tener algunos discretos y algunos MOSFETs, tienes cierta flexibilidad para colocar todo en dos capas ya que típicamente no tienes piezas mecánicas grandes (disipador de calor o ventiladores) o capacitores/inductores altos. ¿Deberías colocar todo en una sola capa o en dos capas, y cuál será el impacto en el rendimiento?

Resulta que el mayor impacto del posicionamiento en dos capas está en términos de parásitos y acoplamiento de ruido. Es probable que puedas hacer el diseño más pequeño y posiblemente tener menor EMI radiada/recibida, pero podrías crear un fuerte acoplamiento con interconexiones cercanas si no se diseña adecuadamente. Vamos a profundizar en esto para ver dónde comienza a crear problemas el ruido y cuáles son algunas soluciones para prevenir el acoplamiento de ruido.

Ruido en Reguladores de Conmutación de Una y Dos Capas

Todos los reguladores de conmutación generan ruido en su nodo dV/dt y bucle dI/dt. Para topologías más complejas, como las topologías de medio puente/puente completo, el nodo de conmutación puede moverse entre diferentes ubicaciones en el diseño dependiendo de la diferencia de fase entre los FETs de conmutación. Si hay un circuito PFC en la placa y está funcionando en modo de conducción crítica, entonces modulará profundamente en sus nodos de conmutación de lado alto y bajo para dar picos altos de dV/dt. En cualquier caso, el nodo dV/dt determinará la ubicación del bucle dI/dt. Juntos, estos determinarán cómo podría acoplarse el ruido alrededor del diseño.

El diagrama del circuito del convertidor reductor de ejemplo a continuación muestra dónde existen estos nodos. Se podrían dibujar diagramas similares para un convertidor elevador o para una topología aislada. El nodo de conmutación y el lazo de corriente pulsante se indican en el diagrama; estos son los puntos donde el circuito irradiará más ruido.

Este tipo de circuito podría diseñarse utilizando un controlador de puerta para generar el pulso PWM y modular Q1. Las topologías de puente o resonantes más avanzadas básicamente harán lo mismo, pero el lazo de corriente y el nodo dV/dt pueden intercambiar posiciones entre diferentes puntos dependiendo de la topología.

Al determinar dónde colocar los componentes (diseño de PCB de una sola cara vs. doble cara), estarás equilibrando el área ocupada por el regulador versus el ruido de conmutación que el regulador puede acoplar en otros circuitos. Para ver algunas ventajas de cada estilo, veamos algunos ejemplos.

Ejemplo de Diseño de PCB de Una Sola Capa

Para este ejemplo, examinaré un circuito integrado regulador reductor (TPS562201 de Texas Instruments) que podría suministrar hasta 2 A de corriente. El circuito utiliza un bucle de retroalimentación con un divisor de resistencia para detectar el voltaje de salida y ajustar un temporizador de un solo disparo para activar los MOSFETs internos que generarán conmutación. Por lo tanto, el bucle de dI/dt de salida abarcará el plano de tierra en el die del IC y necesitará tener un tierra uniforme debajo de él.

Tenemos dos objetivos al transferir este circuito al diseño:

1. Evitar que el ruido dV/dt de SW_OUT y el ruido acoplado magnéticamente alcancen el bucle de retroalimentación a través de capacitancia parásita y la inductancia parásita.
2. Asegurar que el bucle de dI/dt sea lo más pequeño posible para que no irradie fuertemente y para que la inductancia de los conductores en este bucle no contribuya a un sobrepico transitorio excesivo durante la conmutación.

Un ejemplo de un enfoque típico para colocar este pequeño regulador de conmutación en un PCB se muestra a continuación. He trazado aproximadamente el camino de la corriente de conmutación en la placa para que podamos ver dónde es susceptible el diseño a radiar. El apilado utiliza 4 capas. En este diseño, tenemos una línea de retroalimentación que va desde R1 hasta U1 (el trazo en la Capa 2), así como el gran nodo de conmutación de cobre (SW_OUT).

El trazo de retroalimentación podría ser susceptible a cierto acoplamiento de ruido, lo cual es bastante importante en esta aplicación. Esta línea se utiliza para determinar cuándo un temporizador monodisparo interno necesita ser reiniciado para que el MOSFET interno pueda ser activado para el siguiente ciclo de conmutación. Por lo tanto, querrías evitar un ruido fuerte y asegurar una medición de retroalimentación precisa. En este ejemplo, colocarlo en la Capa 2 y rodearlo de tierra es una buena estrategia para asegurar baja inductancia. Proteger este trazo del ruido de conmutación de L1 podría hacerse de tres maneras:

1. Manténgalo en la capa inferior y muévalo más lejos de L1 y SW_OUT
2. Colóquelo en la capa superior, rodéelo con un poco de cobre y protéjalo con vías de conmutación cuidadosamente dimensionadas
3. Ponga la traza en la capa trasera para que esté totalmente protegida por GND

Si queremos optar por la opción #3, ¡también podríamos colocar los capacitores de salida en la capa trasera! Veamos cómo se ve esto.

Precaución con los Circuitos Reguladores de Dos Capas

Los circuitos de dos capas con un bucle de corriente en el lado de salida son atractivos para el diseño en dos capas. Esta disposición a veces se llama diseño de concha debido a la disposición de la sección LC en el regulador. La razón principal por la que podría optar por este tipo de enrutamiento es para controlar los parásitos, lo que luego le da control sobre el acoplamiento del ruido de conmutación en otros circuitos. Esto es altamente deseable si está diseñando un regulador de potencia de factor de forma pequeño que podría estar cerca de otros circuitos.

Nuestro circuito de dos capas modificado se muestra a continuación (con el enfoque en la Capa 1). He dejado U1, C5 y L1 en la capa superior; todos los pasivos más pequeños están en la capa inferior. Si esta placa fuera a colocarse en una carcasa con soportes pequeños, no tendría problemas con componentes voluminosos en dos capas. También hemos podido hacer la placa mucho más pequeña en comparación con la disposición anterior.

La capa inferior se muestra a continuación. Al mover los pasivos a la capa inferior, hemos apretado el bucle de retroalimentación para que tenga una menor inductancia y esté totalmente protegido de L1 por la tierra en la Capa 2 y 3. Otro beneficio es SW_OUT; también está totalmente protegido del bucle de retroalimentación.

¿Cómo podemos mejorar la disposición?

Soy de la opinión de que ningún diseño de placa es perfecto y siempre hay mejoras que se pueden realizar. El diseño mencionado anteriormente funcionará técnicamente, pero algunos cambios en el diseño podrían ser beneficiosos y ayudar a hacer el diseño un poco más compacto. La desventaja del diseño es que el campo magnético se genera a lo largo de la superficie de la placa, por lo que no podemos enrutar ninguna señal de datos a lo largo de los bordes superior e inferior del PCB. Esto es algo a tener en cuenta al colocar este diseño en otro diseño que incluirá algunas señales de datos.

La otra manera de mejorar el diseño es colocar esos resistores de retroalimentación y la pista de retroalimentación. Idealmente, nos gustaría tener esos resistores (R1 y R2) más cerca del pin de retroalimentación. Si estos fueran resistores de detección de corriente, entonces también querríamos implementar una conexión Kelvin para asegurar la menor modificación posible de la resistencia de la red de retroalimentación. Aunque colocar esto en la capa trasera y añadir algo de GND ayuda a añadir algo de blindaje, es mejor colocar esos resistores cerca del pin de retroalimentación para el seguimiento más preciso del voltaje de salida.

Si simplemente aplicamos una rotación de 90 grados en U1 y movemos los componentes, podemos hacer el diseño un poco más compacto y reducir el tamaño de la placa.

Me gusta más esto porque la mayor parte del nodo SW_OUT está por encima de GND, en lugar de estarlo sobre el trazo de retroalimentación. El bucle de dI/dt a través de C3 y C4 también es mucho más ajustado. Mover esas resistencias de retroalimentación también ayuda a reducir el tamaño total del diseño del PCB.

Si esto fuera simplemente un módulo regulador simple y el total de capas de cobre fuera de 2, entonces no tendríamos otras palancas que accionar para proteger alguno de los trazos sensibles del nodo de conmutación más que mover los trazos más lejos de SW_OUT y aumentar las distancias totales de las rutas. Si este diseño se utilizara en un producto real con algunos otros componentes, entonces probablemente tendrías algo de vertido de GND o un plano completo de GND en una capa interna (por ejemplo, al menos una placa de 4 capas). Esto te da una manera de reducir aún más tanto la inductancia de bucle para el trazo de retroalimentación/SW_OUT como de bloquear estos trazos de control del nodo SW, proporcionándote así alguna protección contra el acoplamiento de ruido.

Escalando

Si entiendes estos principios con un único MOSFET de potencia, entonces puedes escalar esto a un convertidor sincrónico con dos MOSFETs, o a un convertidor puente, convertidor resonante o convertidor multiphase más avanzado. Esos diseños son más complejos porque hay más lugares donde el ruido puede acoplarse a otros circuitos en tu diseño de PCB. Sin embargo, seguir los principios de acoplamiento de ruido mencionados anteriormente te ayudará a asegurar tu éxito si estás diseñando topologías de potencia más avanzadas.

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