Regolatore DC/DC: linee guida al posizionamento del regolatore boost nel layout dei PCB

Ogni qual volta un PCB designer è alle prese con un nuovo progetto avrà sicuramente a che fare almeno con un regolatore DC/DC non isolato Difatti la maggior parte dei PCB integra almeno un regolatore DC/DC, in quanto sono in grado di fornire tensioni (o correnti) regolate massimizzando l’efficienza. Proprio grazie alla loro alta efficienza (80-90% in generale), rispetto ai comuni regolatori lineari, sono in grado di erogare potenza riducendo la quantità di calore da dissipare e quindi facilitano la gestione termica del PCB. Ci sono inoltre applicazioni dove la tensione da regolare può essere più alta della tensione di alimentazione della board, rendendo necessario l’utilizzo di un regolatore DC/DC Boost in grado di alzare la tensione di alimentazione in ingresso. Si pensi ad applicazioni IoT alimentate da una comune batteria stilo (AA o AAA) 1.5V, dove si necessita di un rail regolato a 3.3V comune per tutti i microcontrollori.

L’importanza del layout per i regolatori DC/DC

A differenza dei comuni regolatori lineari, il regolatore DC/DC (detto anche switching) o più rumoroso in termini elettrici in quanto basa il suo funzionamento sulla commutazione di tensione su uno o più nodi del regolatore e sulla commutazione di corrente su uno o più rami del circuito. La frequenza di commutazione può essere fissa o variabile, dipendentemente dalle applicazioni, e può variare in un range da 100KHz fino a qualche decina di MHz. Per esempio, in applicazioni automotive, viene utilizzata una frequenza di switching intorno a 2.1MHz, in quanto fuori dalla banda AM, minimizzando i disturbi alle frequenze radio. 

Particolari accorgimenti si possono prendere a livello architetturale del regolatore DC/DC stesso. Per esempio, usando tecniche di spread-spectrum sulla frequenza di switching o rallentando i fronti dei nodi che commutano. Altri accorgimenti si possono avere al livello di schematico, posizionando dei circuiti snubber (RC o RCD) connessi ai nodi switching così da ridurre il ringing su questi nodi e di conseguenza le emissioni radiate; oppure aggiungendo stage di filtering in ingresso e in uscita.

Tuttavia, nonostante queste attenzioni, il layout di un regolatore DC/DC è di fondamentale importanza per ridurre i disturbi sulla scheda stessa. Si pensi per esempio ad accoppiamenti capacitivi tra i nodi switching e circuiteria di segnale di altre sezioni del PCB; oppure iniezione di disturbi nella sezione di controllo del regolatore DC/DC stesso, causando potenziali problemi di instabilità.

Altre motivazioni per prestare particolare attenzione al layout di un regolatore DC/DC sono le emissioni EMI. Difatti il regolatore potrebbe rappresentare il contributo maggiore sulle emissioni del PCB, sia radiate che condotte, specialmente se usato per erogare una potenza elevata. 

Assodato che queste problematiche di disturbo e di interferenza sono il prezzo da pagare per una più alta efficienza, vediamo come possiamo mitigarle con un layout ottimale. Lo scopo è quello di ottenere un PCB in grado di integrare regolatori DC/DC di potenza insieme a circuiteria sensibile ai disturbi, come potrebbe essere la circuiteria di condizionamento di una interfaccia sensore. Inoltre, un layout accorto del regolatore DC-DC permetterà di realizzare un PCB in grado di superare i test EMI di emissione radiata e condotta necessari per la specifica applicazione.

Principali topologie di regolatori DC/DC

Prima di entrare nel dettaglio delle accortezze per l’ottimizzazione del layout di un regolatore DC/DC, vediamo quali sono le tre principali topologie di regolatori DC/DC presenti più comunamente in un PCB.  

• Buck o Step-Down: Il regolatore Buck è utilizzato ogni qualvolta si vuole generare una tensione più bassa della tensione di ingresso. Per esempio, in un sistema alimentato a 12V, i regolatori Buck sono utilizzati per generare tutti i rails low voltage come 5V, 3.3V 1.8V etc. Il regolatore Buck è composto da un elemento commutatore high-side (transistor) ed un elemento commutatore low-side (diodo se asincrono, transistor se sincrono). In aggiunta un induttore e due capacità (una di ingresso e una di uscita).
• Boost o Step-Up: Il regolatore Boost è utilizzato ogni qualvolta si vuole generare una tensione più alta della tensione di ingresso.  Il regolatore Boost è composto da un elemento commutatore low-side (transistor) ed un elemento commutatore high-side (diodo se asincrono, transistor se sincrono). In aggiunta un induttore e due capacità (una di ingresso e una di uscita).
• Buck-Boost o Step-Up-Down: Il regolatore Buck-Boost è utilizzato ogni qualvolta si vuole generare una tensione regolata partendo da una tensione di ingresso avente un range di variabilità con massimo sopra la tensione da regolare e minimo sotto la tensione da regolare. Per esempio, in un dispositivo IoT che necessita di un rail regolato a 3.3V, alimentato da una batteria ricaricabile al Litio singola cella, il cui range di tensione può variare da 4.2V (batteria completamente carica) a 3V (batteria scarica).  Il regolatore Buck-Boost è composto da un simil ponte-H (quattro transistor se sincrono o da due transistor più due diodi se asincrono). In aggiunta un induttore e due capacità (una di ingresso e una di uscita).
  Schemi di layout usati per un regolatore DC/DC: i casi studio del regolatore buck, del regolatore boost e del regolatore buck-boost

Suggerimenti Generali

Indipendentemente dal regolatore DC/DC istanziato ci sono alcuni accorgimenti generali che andrebbero osservati ogni qualvolta si debba fare il layout del regolatore:

1. Per quanto riguarda il placement, posizionare tutti i componenti di potenza del regolatore DC/DC (transistor, diodi, induttanze e capacità) possibilmente sullo stesso lato del PCB, così da minimizzare la lunghezza delle tracce di potenza ed evitare che le correnti commutanti (AC) scorrano attraverso delle vie.
2. 
   Vista 3D di un layout con regolatore DC/DC

Prevedere un layer dedicato a piano di massa direttamente sottostante al layer con i componenti. Possibilmente non condiviso da nessun altro segnale, così da minimizzarne le interruzioni e renderlo il più uniforme possibile. Vedremo come questo layer sarà il percorso principale per le correnti di ritorno sulla massa, riducendo la lunghezza dei loop di corrente. 

3. La parte di controllo del regolatore DC/DC, come ogni comune circuito integrato, avrà bisogno di capacità di bypass o di stabilizzazione di rail interni. Posizionare queste capacità il più possibile vicino al pin corrispettivo utilizzando connessioni dirette ed evitando di passare attraverso delle vie.
4. Ragionamento analogo si applica per le capacità di bootstrap che sono collegate ad un nodo commutante del regolatore DC/DC.
5. Per quanto riguarda il feedback di tensione, posizionare il partitore resistivo il più possibile vicino al circuito integrato di controllo; così da minimizzare la lunghezza della traccia dal tap centrale del partitore resistivo al pin di feedback. Difatti questo nodo è l’ingresso del feedback amplifier e quindi potenziale ricettore di disturbi.
6. Qualora il regolatore DC/DC avesse anche un sense di corrente esterno basato su una resistenza di shunt, collegare i due nodi di sense al circuito integrato di controllo mediante una connessione di tipo coppia differenziale realizzando un Kelvin sense.  Usare tracce con spessore minimo e lontano dai nodi commutanti in quanto ingressi di un amplificatore differenziale e quindi soggette a disturbo.
7. Posizionare i componenti di compensazione (R e C) vicino al circuito integrato di controllo, utilizzando connessioni dirette senza passare attraverso delle vie.

Regolatore Buck

La regola d’oro per un buon layout di un regolatore DC/DC converter è individuare i loop di corrente AC e minimizzarne la lunghezza. Questo vuol dire mantenere le piste di questi loop di corrente il più compatte possibile e possibilmente sullo stesso layer. Quando non possibile, utilizzare delle vie multiple per effettuare il passaggio da un layer all’altro. 

Per individuare i loop di corrente AC di un regolatore DC/DC si deve analizzare il circuito durante le due fasi di commutazione del periodo di switching, chiamate comunemente fase di ON time e fase di OFF time. Viene definita fase di ON time quando l’elemento commutatore principale del regolatore acceso, e fase di OFF time quando è spento. La figura sottostante mostra i loop di corrente dei tre tipi diversi di regolatori durante la fase di ON time (loop in rosso) e la fase di OFF time (loop in blu).

Analisi del periodo di commutazione di un circuito stampato con regolatore DC/DC
 

Nel caso di un regolatore Buck, la fase di ON time è quando l’high-side transistor è acceso, la fase di OFF time quando è spento.

• Durante ON Time la corrente scorre dalla capacità di ingresso, attraverso l’high-side switch, attraverso l’induttanza e si chiude sulla capacità di uscita, tornando alla capacità di ingresso attraverso la connessione di massa.
• Durante OFF Time la corrente scorre attraverso il diodo low-side (o transistor se sincrono), attraverso l’induttanza e si chiude di nuovo sulla capacità di uscita, tornando al diodo attraverso la connessione di massa

Per minimizzare i due loop di corrente AC un layout di riferimento è illustrato nella figura sottostate:

Come minimizzare i due loop di corrente in un layout con regolatore DC/DC
 

Come si può osservare le connessioni sul top layer (in verde) sono compatte, e la chiusura del loop di corrente relativo alla fase di ON time avviene attraverso vie multiple collegate al piano di massa sottostante (in grigio). Le vie sono posizionate il più vicino possibile ai pads di ground dei componenti del regolatore così da minimizzare il loop di corrente.

Regolatore Boost

Nel caso di un regolatore Boost, la fase di ON time è quando low-side transistor è acceso, la fase di OFF time quando spento.

• Durante ON Time la corrente scorre dalla capacità di ingresso, attraverso l’induttanza e si chiude attraverso il transistor low-side, tornando alla capacità di ingresso attraverso la connessione di massa.
• Durante OFF Time la corrente scorre dalla la capacità di ingresso attraverso l’induttanza, attraverso il diodo high-side e si chiude di sulla capacità di uscita, tornando alla capacità di ingresso attraverso la connessione di massa

Per minimizzare i due loop di corrente AC un layout di riferimento è illustrato nella figura sottostate:

Minimizzare i loop di corrente nel caso di layout con regolatore boost

In questo layout di riferimento si può osservare come le connessioni sul top layer sono compatte e non sia stato necessario chiudere i loop di corrente utilizzano il piano di massa sottostante. Questa è la soluzione preferita quando il routing del regolatore boost, inclusa parte di controllo, lo permette. 

Regolatore Buck-Boost

In fine nel caso di un regolatore DC/DC Buck-Boost, la fase di ON time è quando la diagonale del ponte H alimentata dalla tensione di ingresso è accesa, la fase di OFF time quando è accesa la diagonale connessa al nodo di uscita.

• Durante ON Time la corrente scorre dalla capacità di ingresso, attraverso l’high-side transistor del ponte H, attraverso l’induttanza e si chiude attraverso il transistor low-side, tornando alla capacità di ingresso attraverso la connessione di massa.
• Durante OFF Time la corrente scorre attraverso il diodo low-side, attraverso l’induttanza, attraverso il diodo high-side e si chiude sulla capacità di uscita, tornando al diodo attraverso la connessione di massa.

Per minimizzare i due loop di corrente AC un layout di riferimento è illustrato nella figura sottostate:

Minimizzare i loop di corrente nel caso di layout con regolatore DC/DC Buck-Boost
 

Conclusioni

Come abbiamo visto un buon il layout per un regolare DC/DC converter è di fondamentale importanza per eliminare disturbi non voluti sul PCB ed ottenere le certificazioni EMI necessarie. Fortunatamente, seguendo le line guida illustrate in questo articolo, si possono notevolmente aumentare le possibilità di successo sin dalla prima versione del PCB. Per semplicità i layout illustrati si riferiscono a power stage di regolatori controllati in tensione; qualora si usi un controllo in corrente sarà necessario aggiungere una resistenza di shunt in serie all’elemento commutante principale e seguire i suggerimenti descritti precedentemente nella sezione “Suggerimenti Generali” punto 6.