Faut-il placer la masse sous les inducteurs dans les régulateurs à découpage ?

Nous adorons répondre aux questions de nos lecteurs et de nos spectateurs sur YouTube, et l'une des questions récentes que nous avons reçues concerne les interférences électromagnétiques (EMI) provenant des éléments de commutation dans un régulateur à découpage :

• Faut-il placer une découpe sous l'inducteur dans un circuit de régulateur à découpage ?

C'est encore une de ces questions de type "cela dépend" car cela est lié au type d'inducteur utilisé dans la conception, à l'orientation de la bobine, et à savoir si la fuite de flux magnétique de l'inducteur est suffisamment importante pour créer un problème de bruit. Il existe différents types d'inducteurs avec différents facteurs de forme, et ces inducteurs peuvent produire différents profils de champ magnétique autour du composant pendant l'opération de commutation dans un régulateur à découpage.

Malgré les variations dans les inducteurs et leur comportement magnétique, il existe quelques principes généraux qui peuvent être utilisés pour juger des effets de la mise à la terre près des inducteurs dans les circuits de régulateurs à découpage. Nous examinerons certains de ces principes dans cet article.

Comment un Inducteur Couple le Bruit dans un Régulateur à Découpage

Lorsqu'un inducteur fonctionne avec un courant de commutation dans un circuit de régulateur de tension, le courant de commutation génère un champ magnétique. C'est un fait de base de l'électromagnétisme tel que décrit dans les équations de Maxwell. Le champ magnétique variable dans le temps peut alors induire une force électromotrice dans un circuit proche.

Prenons un moment pour considérer l'inductance bobinée montrée dans la vue 3D ci-dessous. Lorsqu'un courant de commutation circule à travers la bobine, il y aura un champ magnétique variable dans le temps émanant de la bobine. Si vous vous rappelez de vos cours de physique, vous saurez que le champ magnétique changeant généré par le courant de commutation induira un courant de Foucault dans les conducteurs environnants.

La région avec des lignes de champ presque perpendiculaires à la couche de sol sur L2 induira un courant de Foucault.

Différents types d'inductances auront différentes distributions du champ magnétique autour du noyau de l'inductance. L'orientation du noyau de l'inductance, les matériaux utilisés pour construire l'inductance, et le type d'inductance (bobinée, de type film, blindée, etc.) compteront également. Dans le cas ci-dessus, nous avons une bobine d'inductance orientée verticalement. Cependant, si cette inductance est blindée, le champ magnétique généré par le courant de commutation sera principalement contenu à l'intérieur du boîtier de l'inductance. D'autres boîtiers comme les inductances toroïdales aident à contenir le flux à l'intérieur de la bobine enroulée.

Les découpes subissent toujours une FEM inductive et des courants

Si vous placez une découpe, il y aura toujours un champ électromagnétique (EMF) et un courant induit résultant dans la couche de plan voisine. Dans l'exemple ci-dessous, si nous supposons que le champ magnétique pointe vers la découpe, alors le courant induit circulerait dans le sens des aiguilles d'une montre, comme montré ci-dessous.

Si nous coupons ce sol à travers toutes les couches, nous nous retrouvons maintenant dans une très mauvaise situation où nous induisons ces courants sur toutes les couches. Cela permet également au champ magnétique de se propager autour du PCB, alors que le cas avec GND normalement le bloquerait. C'est très mauvais d'un point de vue CEM (Compatibilité ÉlectroMagnétique). Placer la terre en dessous de l'inducteur bloquera ce champ magnétique de traverser la carte et éventuellement d'interférer avec d'autres composants ; je pense que c'est une justification appropriée pour l'utiliser en dessous de l'inducteur.

Comment les Courants Induits Magnétiquement Affectent le Fonctionnement

La logique ci-dessus stipule que, si la masse est placée sous l'inducteur, le champ magnétique générera des courants de Foucault dans la couche suivante. Ces courants de Foucault vont générer leur propre champ magnétique qui s'oppose au champ magnétique de l'inducteur. On en déduit que l'inducteur aura une inductance "équivalente" plus faible parce que le champ magnétique total créé par le courant de commutation est plus faible. Si vous le souhaitez, vous pourriez également envisager cela en termes d'inductance mutuelle entre la bobine de l'inducteur et le plan ; cela réduit l'inductance totale du système.

Le résultat supposé serait alors du bruit induit dans d'autres circuits. Cependant, la masse offre une certaine protection en ce qui concerne les circuits et le routage sur les couches internes, ce qui confine le bruit près de la couche de surface. Que vous placiez ou non la découpe, le courant de Foucault et le bruit seraient de toute façon présents, donc vous devrez tolérer un certain bruit dans les circuits à proximité de l'inducteur. Puisque la meilleure option est de protéger contre ce bruit dans toutes les autres couches, je suis en faveur de la masse sous l'inducteur. Rapprocher la masse des éléments de votre régulateur de puissance est également généralement une bonne idée pour contrôler les parasites.

Résumé

Nous avons quelques résultats principaux issus de la discussion ci-dessus :

1. Placer une masse sous l'inducteur réduit son inductance effective ; rapprocher la masse de l'inducteur entraîne une diminution plus importante de l'inductance
2. Placer une masse sous l'inducteur aide à protéger les autres circuits sur les couches internes/arrière contre le bruit provenant directement du noyau de l'inducteur, mais soyez prudent si les boucles de commutation sont réparties dans le stackup car il est possible d'induire du bruit sur les pistes voisines

En conclusion, il est juste de conclure que placer une masse sous le nœud de commutation et l'inducteur dans la disposition d'un PCB de régulateur à découpage n'est pas problématique si vous êtes prêt à sacrifier un peu d'inductance en raison de la présence de courants de Foucault dans le cuivre adjacent. Une meilleure option est de combiner cela avec un inducteur blindé ; vous bénéficiez de l'avantage d'avoir une masse pour le blindage et le boîtier de l'inducteur contiendra mieux le champ magnétique. Le problème du bruit sur la couche supérieure est résolu grâce à une disposition appropriée et un blindage supplémentaire en plaçant les réseaux GND plus près de la circuitrie de contrôle et de toutes les pistes sensibles. Mark Harris fournit un bel exemple dans un projet plus ancien.

En ce qui concerne le nœud de commutation, il peut y avoir un certain débat sur le fait que placer la masse près du nœud de commutation provoque une couplage de bruit excessif loin du nœud de commutation et vers la masse. Tant que la capacité de l'élément de redressement est suffisamment grande, le chemin de moindre impédance sera à travers l'élément de redressement plutôt que par couplage capacitif retour vers le plan de masse proche. Dans la plupart des cas, il s'agit de la capacité terminale des MOSFETs de redressement.

Lorsque vous êtes prêt à construire votre empilement et à router votre PCB, utilisez le meilleur ensemble de fonctionnalités de mise en page de PCB dans Altium Designer. Lorsque vous êtes prêt à partager vos conceptions avec des collaborateurs ou votre fabricant, vous pouvez partager vos conceptions terminées via la plateforme Altium 365. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des électroniques avancées se trouve dans un seul package logiciel.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 aujourd'hui.