Si dovrebbe posizionare la massa sotto gli induttori nei regolatori di commutazione?

Amiamo rispondere alle domande dei nostri lettori e spettatori di YouTube, e una delle domande recenti che abbiamo ricevuto riguarda l'EMI generato dagli elementi di commutazione in un regolatore di commutazione:

• Si dovrebbe posizionare un'apertura sotto l'induttore in un circuito di regolatore di commutazione?

Questa è un'altra di quelle domande a cui si risponde "dipende", in quanto è relativa al tipo di induttore utilizzato nel progetto, all'orientamento della bobina e se la perdita di flusso magnetico dall'induttore è abbastanza grande da creare un problema di rumore. Ci sono diversi tipi di induttori con diversi fattori di forma, e questi induttori possono produrre diversi profili di campo magnetico attorno al componente durante l'operazione di commutazione in un regolatore di commutazione.

Nonostante le variazioni negli induttori e nel loro comportamento magnetico, ci sono alcuni principi generali che possono essere utilizzati per valutare gli effetti della posizione della massa vicino agli induttori nei circuiti di regolatori di commutazione. Esamineremo alcuni di questi principi in questo articolo.

Come un Induttore Accoppia il Rumore in un Regolatore di Commutazione

Quando un induttore è in funzione con una corrente di commutazione in un circuito di regolatore di tensione, la corrente di commutazione genera un campo magnetico. Questo è un fatto basilare dell'elettromagnetismo come descritto nelle equazioni di Maxwell. Il campo magnetico variabile nel tempo può quindi indurre una forza elettromotrice in un circuito vicino.

Consideriamo per un momento l'induttore avvolto mostrato nella vista 3D qui sotto. Quando una corrente di commutazione scorre attraverso la bobina, ci sarà un campo magnetico variabile nel tempo che emana dalla bobina. Se tornate alle vostre lezioni di fisica, saprete che il campo magnetico variabile generato dalla corrente di commutazione indurrà una corrente parassita nei conduttori circostanti.

La regione con linee di campo quasi perpendicolari allo strato di terra su L2 indurrà una corrente parassita.

Diversi tipi di induttori avranno diverse distribuzioni del campo magnetico intorno al nucleo dell'induttore. L'orientamento del nucleo dell'induttore, i materiali utilizzati per costruire l'induttore e il tipo di induttore (avvolto, a film, schermato, ecc.) saranno altrettanto importanti. Nel caso sopra citato, abbiamo una bobina dell'induttore orientata verticalmente. Tuttavia, se questo induttore è schermato, il campo magnetico generato dalla corrente di commutazione sarà per lo più contenuto all'interno del pacchetto dell'induttore. Altri pacchetti come gli induttori toroidali aiutano a contenere il flusso all'interno della bobina avvolta.

Le aperture sperimentano ancora una FEM induttiva e correnti

Se si realizza un'incisione, ci sarà comunque una forza elettromotrice (EMF) e una corrente indotta nel piano vicino. Nell'esempio sottostante, se assumiamo che il campo magnetico sia diretto verso l'interno dell'incisione, allora la corrente risultante avrà un flusso in senso orario come mostrato di seguito.

Se tagliamo questo piano di massa attraverso tutti gli strati, ora ci troviamo in una situazione molto problematica in cui stiamo inducendo queste correnti su tutti gli strati. Questo permette anche al campo magnetico di emanare attorno al PCB, mentre normalmente il caso con GND farebbe da schermo a questo. Questo è molto negativo da un punto di vista EMC. Posizionare il piano di massa sotto l'induttore bloccherà questo campo magnetico dal passare attraverso il circuito stampato e possibilmente interferire con altri componenti; penso che questa sia una giustificazione appropriata per usarlo sotto l'induttore.

Come le Correnti Indotte Magneticamente Influenzano il Funzionamento

La logica sopra esposta sostiene che, se il terreno viene posizionato sotto l'induttore, il campo magnetico genererà correnti parassite nel livello successivo. Queste correnti parassite genereranno a loro volta un proprio campo magnetico che si oppone al campo magnetico dell'induttore. Il ragionamento prosegue affermando che l'induttore avrà un'induttanza "equivalente" inferiore perché il campo magnetico totale creato dalla corrente di commutazione è inferiore. Se vuoi, potresti anche pensare a questo in termini di induttanza mutua tra la bobina dell'induttore e il piano; ciò riduce l'induttanza totale del sistema.

Il risultato supposto sarebbe quindi il rumore che viene indotto in altri circuiti. Tuttavia, il terreno fornisce una certa schermatura rispetto ai circuiti e al routing negli strati interni, il che confina il rumore vicino allo strato superficiale. Che tu posizioni o meno l'intaglio, la corrente parassita e il rumore sarebbero comunque presenti, quindi dovrai tollerare del rumore nei circuiti vicini all'induttore. Poiché l'opzione migliore è schermare contro questo rumore in tutti gli altri strati, sono a favore del terreno sotto l'induttore. Avvicinare il terreno agli elementi nel tuo regolatore di potenza è in generale anche una buona idea per il controllo sui parassiti.

Riassunto

Abbiamo un paio di risultati principali dalla discussione sopra:

1. Posizionare la massa sotto l'induttore ne riduce l'induttanza effettiva; avvicinare la massa all'induttore produce una maggiore diminuzione dell'induttanza
2. Posizionare la massa sotto l'induttore aiuta a schermare altri circuiti sui livelli interni/posteriori dal rumore proveniente direttamente dal nucleo dell'induttore, ma bisogna fare attenzione se i loop di commutazione sono dispersi attraverso lo stackup poiché è possibile indurre rumore su tracce vicine

In conclusione, è giusto concludere che posizionare la massa sotto il nodo di commutazione e l'induttore in un layout di PCB per regolatore di commutazione non è problematico se si è disposti a sacrificare un po' di induttanza a causa della presenza di correnti parassite nel rame adiacente. Un'opzione migliore è combinare ciò con un induttore schermato; si ottiene il vantaggio di avere la massa per la schermatura e il pacchetto dell'induttore conterrà meglio il campo magnetico. Il problema del rumore sullo strato superiore è risolto attraverso un layout appropriato e ulteriore schermatura posizionando le reti GND più vicino alla circuitazione di controllo e a qualsiasi traccia sensibile.Mark Harris fornisce un bel esempio in un progetto più vecchio.

Per quanto riguarda il nodo di commutazione, potrebbe esserci un certo dibattito su se posizionare la massa vicino al nodo di commutazione causi un'accoppiamento di rumore eccessivo lontano dal nodo di commutazione e verso la massa. Finché la capacità dell'elemento di rettifica è abbastanza grande, il percorso di minore impedenza sarà attraverso l'elemento di rettifica piuttosto che attraverso l'accoppiamento capacitivo di ritorno verso il piano di massa vicino. Nella maggior parte dei casi, si tratta della capacità terminale dei MOSFET di rettifica.

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