Progettazione del circuito SMPS: Quale frequenza di commutazione utilizzare?

Alimentazione su uno switch di rete

I progettisti di elettronica di potenza e di alimentatori a commutazione (SMPS) dovrebbero sapere che lavorare con frequenze di commutazione più elevate può portare a maggiori perdite di commutazione nel vostro sistema. Tuttavia, la spinta verso la miniaturizzazione degli alimentatori e dei componenti che vi entrano, spinge i progettisti a lavorare con frequenze di commutazione più elevate nei loro progetti di circuiti SMPS. Questo poi crea problemi in cui le perdite di commutazione e il rumore possono diventare gravi nel vostro sistema.

Come nella maggior parte delle decisioni ingegneristiche, scegliere la giusta frequenza di commutazione rappresenta un insieme di compromessi che coinvolgono la riduzione delle dimensioni dei componenti, la riduzione delle perdite e l'eliminazione del rumore; può essere difficile o impossibile ottenere tutti e tre questi risultati simultaneamente. Tuttavia, con alcune intelligenti decisioni di layout PCB, è possibile bilanciare la necessità di frequenze e velocità di transizione più elevate nel vostro circuito SMPS con la necessità di mantenere il rumore al minimo.

Ottimizzazione di Frequenza, Perdita e Rumore in un Circuito SMPS

Affinché un SMPS possa operare con componenti più piccoli, il segnale PWM di commutazione deve funzionare ad una frequenza più alta. L'induttore di uscita, il condensatore e il diodo sono progettati per trasmettere energia in corrente continua attraverso l'uscita filtrando al contempo il rumore di commutazione, qualsiasi ondulazione residua dalla tensione di ingresso (ad esempio, da un circuito raddrizzatore) e qualsiasi armonica spuria che possa essere presente all'ingresso. In altre parole, l'uscita agisce come un filtro passa basso (in realtà, questo è un filtro passa banda RLC) entro una certa larghezza di banda. Possiamo definire una frequenza di taglio per questo filtro (da non confondere con la frequenza di ginocchio di un segnale digitale di commutazione).

Per impedire che il rumore di commutazione PWM si propaghi attraverso l'uscita, la frequenza di commutazione PWM deve essere maggiore della frequenza di taglio del circuito. Che tu stia lavorando con una topologia buck o boost nel tuo circuito SMPS, la frequenza di taglio dell'uscita sarà inversamente proporzionale alla capacità di uscita e all'induttanza. In altre parole, puoi utilizzare componenti più piccoli nel tuo circuito SMPS se utilizzi una frequenza di commutazione PWM sufficientemente alta.

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Diagramma del circuito SMPS buck-boost

Si presume generalmente che la frequenza di commutazione del segnale PWM nel vostro circuito SMPS sarà il principale determinante delle perdite, che vengono poi convertite in calore. Questo problema con l'uso di una frequenza più alta è corretto, ma la frequenza non è l'unico parametro che determina le perdite nel MOSFET. In realtà, con i MOSFET di potenza utilizzati nei circuiti SMPS, il tasso di variazione del bordo è un importante determinante delle perdite di calore nel circuito SMPS.

Nessun elemento del circuito è ideale, ma tendiamo a trattarli come tali quando non è appropriato. Lo stesso vale per il MOSFET mostrato sopra. Quando il segnale PWM scende a 0 V, il MOSFET potrebbe non spegnersi completamente e può continuare a condurre quando il tasso di variazione del bordo è troppo lento. Se aumentate il tasso di variazione del bordo del segnale PWM, il MOSFET può essere completamente ciclato e condurrà meno nello stato OFF. Questo riduce effettivamente la perdita di potenza, anche quando la frequenza di commutazione è impostata su un valore più alto.

La combinazione di una frequenza PWM più alta e di un tasso di commutazione PWM più veloce consente l'utilizzo di componenti più piccoli nel circuito SMPS. Poiché le perdite di potenza (ovvero, la dissipazione di calore) sono inferiori, può essere utilizzato un dissipatore di calore più piccolo. Tuttavia, il segnale PWM ad alta frequenza irradia fortemente, e il tasso di commutazione più veloce porta a una risposta transitoria nel circuito. Questo comportamento è interamente legato alla capacità parassita e all'induttanza ai livelli del pacchetto MOSFET e del layout della scheda. Dovrai assicurarti che il tuo circuito SMPS sia progettato in modo tale che l'induttanza parassita sia minimizzata.

Riduci i picchi di rumore SMPS con scelte intelligenti di layout

L'induttanza parassita nel tuo circuito SMPS (che include il PDN a valle) determinerà la dimensione del picco di tensione nel circuito SMPS. Anche la capacità parassita contribuisce ai picchi di tensione/corrente nel circuito SMPS, ma ciò non diventa dominante fino a quando non si lavora a livelli di kV. Questo particolare picco di tensione, dovuto all'induttanza parassita, occupa i loop del circuito nel tuo layout SMPS, il che può stressare i componenti fino al punto di guasto.

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Se utilizzi un tasso di salita più veloce, indurrai una corrente transitoria maggiore nel tuo circuito SMPS. Anche una traccia relativamente corta (alcuni cm) su FR4 di spessore standard avrà circa 10 nH di induttanza parassita. Un bordo di salita rapida nel segnale PWM con una corrente ON di alcuni ampere può indurre un picco di diversi volt. Nel tempo, ciò stressa i componenti e porta al fallimento dello SMPS.

Con una frequenza di commutazione più alta e tassi di salita del PWM più veloci, puoi utilizzare componenti più piccoli di questo induttore e questi condensatori.

Superare questa sfida può essere difficile poiché richiede l'estrazione dei parassiti nel circuito SMPS. La strategia tipica quando si progetta uno di questi circuiti è eseguire simulazioni dallo schema per verificare la funzionalità, seguito da test una volta che si realizza un prototipo. Sperabilmente, con le linee guida delineate qui, puoi ridurre il numero di prototipi necessari per arrivare a un dispositivo funzionante.

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