Disposizione del regolatore di commutazione: Uno o due strati?

Dai un'occhiata al tipico layout di un regolatore di commutazione su una PCB; solitamente, tutto è posizionato su un singolo strato per molteplici motivi. A volte, come nei casi di bassa potenza, il circuito è fisicamente piccolo, quindi non c'è realmente la necessità di usare due strati per risparmiare spazio. Per regolatori di commutazione più grandi, la grande dimensione fisica dei componenti significa che la collocazione su due strati potrebbe teoricamente risparmiare spazio, ma ciò rende più difficile la collocazione all'interno di un involucro a causa dei vincoli di montaggio.

Quando hai un regolatore di commutazione di dimensioni medie, che potrebbe avere alcuni componenti discreti e alcuni MOSFET, hai una certa flessibilità nel posizionare tutto su due strati poiché tipicamente non hai grandi pezzi meccanici (dissipatore o ventole) o condensatori/induttori alti. Dovresti posizionare tutto su un singolo strato o su due strati, e quale sarà l'impatto sulla performance?

Si scopre che il principale impatto della disposizione su due strati riguarda i parassiti e l'accoppiamento del rumore. Potresti probabilmente rendere il design più piccolo e possibilmente avere un EMI irradiato/ricevuto inferiore, ma potresti creare un forte accoppiamento con le interconnessioni vicine se non disposto correttamente. Esaminiamo più a fondo per vedere dove il rumore inizia a creare problemi e quali sono alcune soluzioni per prevenire l'accoppiamento del rumore.

Rumore nei Regolatori di Commutazione a Uno e Due Strati

Tutti i regolatori di commutazione generano rumore al loro nodo dV/dt e al loop dI/dt. Per topologie più complesse, come le topologie a mezzo ponte/ponte completo, il nodo di commutazione può spostarsi tra diverse posizioni nel design a seconda della differenza di fase tra i FET di commutazione. Se c'è un circuito PFC sulla scheda ed è in funzionamento in modalità di conduzione critica, allora modulerà profondamente ai suoi nodi di commutazione alto e basso per dare picchi di dV/dt elevati. In ogni caso, il nodo dV/dt determinerà la posizione del loop dI/dt. Insieme, questi determineranno come il rumore potrebbe essere accoppiato intorno al design.

L'esempio di diagramma del circuito del convertitore buck qui sotto mostra dove esistono questi nodi. Diagrammi simili potrebbero essere disegnati per un convertitore boost, o per una topologia isolata. Il nodo di commutazione e l'anello di corrente pulsante sono indicati nel diagramma; questi sono i punti in cui il circuito irradierà più rumore.

Questo tipo di circuito potrebbe essere realizzato utilizzando un driver di gate per generare l'impulso PWM e modulare Q1. Topologie più avanzate, come quelle a ponte o risonanti, faranno sostanzialmente la stessa cosa, ma l'anello di corrente e il nodo dV/dt possono scambiarsi tra diversi punti a seconda della topologia.

Nel determinare dove posizionare i componenti (layout PCB a singolo vs doppio strato), si bilancerà l'area occupata dal regolatore rispetto al rumore di commutazione che il regolatore può accoppiare in altri circuiti. Per vedere alcuni vantaggi di ciascuno stile, diamo un'occhiata ad alcuni esempi.

Esempio di Layout PCB a Singolo Strato

Per questo esempio, esaminerò un regolatore buck IC (TPS562201 di Texas Instruments) che potrebbe fornire fino a 2 A di corrente. Il circuito utilizza un anello di feedback con un divisore di resistenza per rilevare la tensione di uscita e regolare un timer monostabile per attivare i MOSFET interni che genereranno lo switching. Pertanto, l'anello di dI/dt in uscita attraverserà il piano di massa sul die dell'IC e dovrà avere un terreno uniforme al di sotto di esso.

Abbiamo due obiettivi nel trasferire questo circuito al layout:

1. Prevenire che il rumore dV/dt da SW_OUT e il rumore accoppiato magneticamente raggiungano l'anello di feedback attraverso capacità parassita e induttanza parassita.
2. Assicurare che l'anello di dI/dt sia il più piccolo possibile in modo che non irraggi fortemente e che l'induttanza dei conduttori in questo anello non contribuisca a eccessivi overshoot transitori durante lo switching.

Un esempio di un approccio tipico alla disposizione di questo piccolo regolatore di commutazione su un PCB è mostrato di seguito. Ho tracciato approssimativamente il percorso della corrente di commutazione sulla scheda in modo da poter vedere dove il design è suscettibile di irradiare. Il stackup utilizza 4 strati. In questo design, abbiamo una linea di feedback che va da R1 a U1 (la traccia sul Layer 2), così come il grande nodo di commutazione in rame (SW_OUT).

La traccia di feedback potrebbe essere suscettibile ad un po' di accoppiamento di rumore, il che è piuttosto importante in questa applicazione. Questa linea viene utilizzata per determinare quando un timer monostabile interno deve essere resettato in modo che il MOSFET interno possa essere attivato per il prossimo ciclo di commutazione. Pertanto, vorresti evitare rumori forti e garantire una misurazione del feedback accurata. In questo esempio, posizionarla sul Layer 2 e circondarla di terra è una buona strategia per garantire una bassa induttanza. Proteggere questa traccia dal rumore di commutazione proveniente da L1 potrebbe essere fatto in tre modi:

1. Mantienilo sullo strato inferiore e spostalo più lontano da L1 e SW_OUT
2. Posizionalo sullo strato superiore, circondalo con un po' di copper pour e schermalo con via di commutazione accuratamente dimensionate
3. Metti la traccia sullo strato posteriore in modo che sia completamente schermata da GND

Se vogliamo procedere con l'opzione #3, potremmo anche mettere i condensatori di uscita sullo strato posteriore! Vediamo come appare.

Attenzione ai circuiti regolatori a due strati

I circuiti a due strati con un anello di corrente sul lato di uscita sono attraenti per il layout in due strati. Questa disposizione è talvolta chiamata design a conchiglia a causa della disposizione della sezione LC nel regolatore. Il motivo principale per cui potresti optare per questo tipo di routing è controllare i parassiti, che ti dà poi il controllo sul coupling del rumore di commutazione su altri circuiti. Questo è altamente desiderabile se stai progettando un regolatore di potenza di piccolo formato che potrebbe essere vicino ad altri circuiti.

Il nostro circuito a due strati modificato è mostrato di seguito (Layer 1 in primo piano). Ho lasciato U1, C5 e L1 sullo strato superiore; tutti i passivi più piccoli sono sullo strato inferiore. Se questa scheda dovesse essere inserita in un contenitore con piccoli distanziatori, non avrebbe problemi con componenti ingombranti su due strati. Siamo anche in grado di rendere la scheda molto più piccola rispetto al layout precedente.

Lo strato inferiore è mostrato di seguito. Spostando i passivi sullo strato inferiore, abbiamo stretto il ciclo di feedback in modo che abbia un'induttanza più bassa ed è completamente schermato da L1 grazie alla terra sui Layer 2 e 3. Un altro vantaggio è SW_OUT; è anch'esso completamente schermato dal ciclo di feedback.

Come possiamo migliorare il layout?

Sono convinto che nessun layout sia perfetto e che ci sia sempre spazio per miglioramenti. Il layout sopra descritto funzionerà tecnicamente, ma alcuni cambiamenti nel layout potrebbero fare bene e aiutare a rendere il layout un po' più compatto. Lo svantaggio del layout è che il campo magnetico viene generato lungo la superficie della scheda, quindi non possiamo instradare segnali dati lungo i bordi superiore e inferiore del PCB. Questo è un aspetto da tenere in mente quando si inserisce questo design in un altro layout che includerà alcuni segnali dati.

Un altro modo per migliorare il layout è posizionare quei resistori di feedback e la traccia di feedback. Idealmente, vorremmo avere quei resistori (R1 e R2) più vicini al pin di feedback. Se questi fossero resistori per la misura della corrente, vorremmo anche implementare una connessione Kelvin per garantire la minima possibile modifica della resistenza della rete di feedback. Posizionare questi elementi sullo strato posteriore e aggiungere un po' di GND aiuta a fornire una certa schermatura, ma è meglio posizionare quei resistori vicino al pin di feedback per il tracciamento più accurato della tensione di uscita.

Se applichiamo semplicemente una rotazione di 90 gradi su U1 e spostiamo i componenti, possiamo rendere il layout un po' più compatto e ridurre le dimensioni della scheda.

Mi piace di più perché la maggior parte del nodo SW_OUT si trova sopra GND, piuttosto che sopra la traccia di feedback. Anche il loop dI/dt attraverso C3 e C4 è molto più stretto. Spostare quelle resistenze di feedback aiuta anche a ridurre la dimensione totale del layout del PCB.

Se questo fosse solo un semplice modulo regolatore e il numero totale di strati di rame fosse di 2, allora non avremmo altri mezzi per proteggere le tracce sensibili dal nodo di commutazione se non spostare le tracce più lontano da SW_OUT e aumentare le distanze totali dei percorsi. Se questo layout dovesse essere utilizzato in un prodotto reale con alcuni altri componenti, allora probabilmente avresti una colata di GND o un intero piano di GND su uno strato interno (ad esempio, almeno un PCB a 4 strati). Questo ti dà un modo per ridurre ulteriormente sia l'induttanza del loop per la traccia di feedback/SW_OUT sia per bloccare queste tracce di controllo dal nodo SW, offrendoti così una certa protezione dal coupling di rumore.

Scalare

Se comprendi questi principi con un singolo MOSFET di potenza, allora puoi estenderli a un convertitore sincrono con due MOSFET, o a un convertitore a ponte, convertitore risonante o convertitore multiphase più avanzato. Questi layout sono più complessi perché ci sono più punti in cui il rumore può accoppiarsi ad altri circuiti nel tuo layout PCB. Tuttavia, seguire i principi di accoppiamento del rumore sopra descritti ti aiuterà ad avere successo se stai progettando topologie di potenza più avanzate.

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