Disposition du régulateur de commutation : Une ou deux couches ?

Jetez un œil à l'agencement typique d'un régulateur à découpage sur un PCB ; généralement, tout est placé sur une seule couche pour plusieurs raisons. Parfois, comme dans les scénarios à faible puissance, le circuit est juste physiquement petit, donc il n'est pas vraiment nécessaire d'utiliser deux couches pour économiser de l'espace. Pour les régulateurs à découpage plus grands, la grande taille physique des composants signifie que le placement sur deux couches pourrait théoriquement économiser de l'espace, mais cela rend le placement à l'intérieur d'un boîtier plus difficile en raison des contraintes de montage.

Lorsque vous avez un régulateur à découpage de taille moyenne, qui pourrait avoir quelques discrets et quelques MOSFETs, vous avez une certaine flexibilité pour placer le tout sur deux couches car vous n'avez généralement pas de grandes pièces mécaniques (radiateur ou ventilateurs) ou de gros condensateurs/inducteurs. Devriez-vous placer le tout sur une seule couche ou deux couches, et quel sera l'impact sur la performance ?

Il s'avère que l'impact majeur du placement sur deux couches concerne les parasitiques et le couplage de bruit. Vous pourriez probablement rendre le design plus petit et possiblement avoir un EMI rayonné/reçu plus faible, mais vous pourriez créer un couplage fort avec les interconnexions proches si cela n'est pas correctement agencé. Examinons cela plus en détail pour voir où le bruit commence à poser problème et quelles sont certaines solutions pour prévenir le couplage de bruit.

Bruit dans les régulateurs à découpage à une couche et à deux couches

Tous les régulateurs à découpage génèrent du bruit au niveau de leur nœud dV/dt et de leur boucle dI/dt. Pour des topologies plus complexes, comme les topologies demi-pont/pont complet, le nœud de commutation peut se déplacer entre différents emplacements dans le design en fonction de la différence de phase entre les FET de commutation. S'il y a un circuit PFC sur la carte et qu'il fonctionne en mode de conduction critique, alors il modulera profondément à ses nœuds de commutation haut et bas pour donner de forts pics de dV/dt. Dans tous les cas, le nœud dV/dt déterminera l'emplacement de la boucle dI/dt. Ensemble, ils détermineront comment le bruit pourrait être couplé autour du design.

Le schéma ci-dessous d'un exemple de circuit convertisseur abaisseur montre où ces nœuds existent. Des schémas similaires pourraient être dessinés pour un convertisseur élévateur ou pour une topologie isolée. Le nœud de commutation et la boucle de courant pulsatoire sont indiqués dans le schéma ; ce sont les points où le circuit va rayonner le plus de bruit.

Ce type de circuit pourrait être conçu en utilisant un pilote de grille pour générer l'impulsion MLI et moduler Q1. Des topologies plus avancées de pont ou résonantes feront essentiellement la même chose, mais la boucle de courant et le nœud de dV/dt peuvent échanger de place entre différents points selon la topologie.

Pour déterminer où placer les composants (agencement de PCB à simple ou double face), vous équilibrerez la surface occupée par le régulateur par rapport au bruit de commutation que le régulateur peut coupler dans d'autres circuits. Pour voir certains avantages de chaque style, examinons quelques exemples.

Exemple de disposition de PCB à couche unique

Pour cet exemple, je vais examiner un circuit intégré régulateur abaisseur (TPS562201 de Texas Instruments) capable de fournir jusqu'à 2 A de courant. Le circuit utilise une boucle de rétroaction avec un diviseur de tension par résistances pour détecter la tension de sortie et ajuster un temporisateur monostable pour déclencher les MOSFETs internes qui généreront la commutation. Par conséquent, la boucle de dI/dt en sortie couvrira le plan de masse sur la puce du CI et devra avoir un plan de masse uniforme en dessous.

Nous avons deux objectifs lors du transfert de ce circuit vers le layout :

1. Empêcher le bruit de dV/dt provenant de SW_OUT et le bruit couplé magnétiquement d'atteindre la boucle de rétroaction par capacité parasite et inductance parasite.
2. Assurer que la boucle de dI/dt soit la plus petite possible afin qu'elle ne rayonne pas fortement et que l'inductance des conducteurs dans cette boucle ne contribue pas à un dépassement transitoire excessif pendant la commutation.

Un exemple d'approche typique pour disposer ce petit régulateur à découpage sur un PCB est montré ci-dessous. J'ai grossièrement tracé le chemin du courant de commutation sur la carte afin que nous puissions voir où la conception est susceptible de rayonner. Le stackup utilise 4 couches. Dans cette conception, nous avons une ligne de retour allant de R1 à U1 (la trace sur la couche 2), ainsi que le grand nœud de commutation en cuivre (SW_OUT).

La trace de retour pourrait être susceptible à un certain couplage de bruit, ce qui est plutôt important dans cette application. Cette ligne est utilisée pour déterminer quand un temporisateur monostable interne doit être réinitialisé afin que le MOSFET interne puisse être déclenché pour le prochain cycle de commutation. Par conséquent, vous voudriez éviter un bruit fort et assurer une mesure de retour précise. Dans cet exemple, la placer sur la couche 2 et l'entourer de masse est une bonne stratégie pour assurer une faible inductance. Protéger cette trace du bruit de commutation de L1 pourrait se faire de trois manières :

1. Gardez-le sur la couche inférieure et éloignez-le davantage de L1 et SW_OUT
2. Placez-le sur la couche supérieure, entourez-le d'un peu de cuivre et protégez-le avec des vias de commutation soigneusement dimensionnés
3. Mettez la trace sur la couche arrière pour qu'elle soit totalement protégée par GND

Si nous voulons opter pour le #3, autant mettre également les condensateurs de sortie sur la couche arrière ! Voyons à quoi cela ressemble.

Prudence avec les circuits régulateurs à deux couches

Les circuits à deux couches avec une boucle de courant sur le côté de sortie sont attrayants pour un agencement en deux couches. Cette disposition est parfois appelée conception en coquille en raison de l'agencement de la section LC dans le régulateur. La principale raison pour laquelle vous pourriez opter pour ce type de routage est de contrôler les parasites, ce qui vous donne alors le contrôle sur le couplage du bruit de commutation sur d'autres circuits. C'est très souhaitable si vous concevez un régulateur de puissance de petit format qui pourrait être proche d'autres circuits.

Notre circuit à deux couches modifié est présenté ci-dessous (couche 1 mise en avant). J'ai laissé U1, C5 et L1 sur la couche supérieure ; tous les petits composants passifs sont sur la couche inférieure. Si cette carte devait être placée dans un boîtier avec de petits supports, elle ne rencontrerait aucun problème avec des composants volumineux sur deux couches. Nous avons également pu rendre la carte beaucoup plus petite par rapport à la disposition précédente.

La couche inférieure est présentée ci-dessous. En déplaçant les composants passifs sur la couche inférieure, nous avons resserré la boucle de rétroaction de sorte qu'elle ait une inductance plus faible et qu'elle soit totalement protégée de L1 par la terre sur la couche 2 et 3. Un autre avantage est SW_OUT ; il est également totalement protégé de la boucle de rétroaction.

Comment pouvons-nous améliorer la disposition ?

Je suis convaincu qu'aucune disposition n'est parfaite et qu'il y a toujours des améliorations à apporter. La disposition ci-dessus fonctionnera techniquement, mais quelques changements dans la disposition feront du bien et aideront à rendre la disposition un peu plus compacte. L'inconvénient de la disposition est que le champ magnétique est généré le long de la surface de la carte, donc nous ne pouvons pas router de signaux de données le long des bords supérieur et inférieur du PCB. C'est quelque chose à garder à l'esprit lors de l'insertion de ce design dans une autre disposition qui inclura des signaux de données.

Une autre manière d'améliorer la disposition est de placer ces résistances de rétroaction et la trace de rétroaction. Idéalement, nous aimerions avoir ces résistances (R1 et R2) plus proches de la broche de rétroaction. Si ces résistances étaient des résistances de détection de courant, alors nous voudrions également implémenter une connexion Kelvin pour assurer la modification la plus faible possible de la résistance du réseau de rétroaction. Bien que placer ceci sur la couche arrière et ajouter un peu de GND aide à ajouter un certain blindage, il est préférable de placer ces résistances près de la broche de rétroaction pour le suivi le plus précis de la tension de sortie.

Si nous appliquons juste une rotation de 90 degrés sur U1, et déplaçons les composants autour, nous pouvons rendre la disposition un peu plus compacte et réduire la taille de la carte.

Je préfère cela car la majeure partie du nœud SW_OUT est au-dessus de GND, plutôt qu'au-dessus de la trace de retour. La boucle de dI/dt à travers C3 et C4 est également beaucoup plus serrée. Déplacer ces résistances de retour aide aussi à réduire la taille totale de l'agencement du PCB.

Si c'était juste un module régulateur simple et que le nombre total de couches de cuivre était de 2, alors nous n'aurions pas d'autres leviers à actionner pour protéger les traces sensibles du nœud de commutation autre que de simplement éloigner les traces de SW_OUT et augmenter les distances totales de routage. Si cet agencement devait être utilisé dans un vrai produit avec d'autres composants, alors vous auriez probablement une couche de GND étendue ou un plan de GND complet sur une couche interne (par exemple, au moins une carte à 4 couches). Cela vous donne un moyen de réduire davantage l'inductance de boucle pour la trace de retour/SW_OUT et de bloquer ces traces de contrôle du nœud SW, vous offrant ainsi une protection contre le couplage de bruit.

Passage à l'échelle

Si vous comprenez ces principes avec un seul transistor MOSFET de puissance, alors vous pouvez les étendre à un convertisseur synchrone avec deux MOSFETs, ou à un convertisseur en pont, un convertisseur résonant ou un convertisseur multiphase plus avancé. Ces agencements sont plus complexes car il y a plus d'endroits où le bruit peut se coupler à d'autres circuits dans votre agencement de PCB. Cependant, suivre les principes de couplage du bruit mentionnés ci-dessus vous aidera à assurer votre succès si vous concevez des topologies de puissance plus avancées.

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