Czy masę należy umieszczać pod dławikami w regulatorach impulsowych?

Uwielbiamy odpowiadać na pytania naszych czytelników i widzów na YouTube, a jedno z ostatnich pytań, które otrzymaliśmy, dotyczy EMI pochodzącego od elementów przełączających w regulatorze przełączającym:

• Czy pod cewką w obwodzie regulatora przełączającego powinno się umieścić wycięcie?

To kolejne z tych pytań na które odpowiedź brzmi "to zależy", ponieważ zależy to od typu użytej cewki, orientacji cewki oraz tego, czy wyciek strumienia magnetycznego z cewki jest na tyle duży, aby stworzyć problem z zakłóceniami. Istnieją różne typy cewek o różnych formach, a te cewki mogą wytwarzać różne profile pola magnetycznego wokół komponentu podczas pracy przełączającej w regulatorze przełączającym.

Pomimo różnic w cewkach i ich zachowaniu magnetycznym, istnieją pewne ogólne zasady, które można wykorzystać do oceny efektów umieszczania masy blisko cewek w obwodach regulatorów przełączających. Przyjrzymy się niektórym z tych zasad w tym artykule.

Jak cewka sprzęga zakłócenia w regulatorze przełączającym

Gdy cewka pracuje z prądem przełączającym w obwodzie regulatora napięcia, prąd przełączający generuje pole magnetyczne. Jest to podstawowy fakt elektromagnetyzmu, opisany w równaniach Maxwella. Zmienny w czasie strumień magnetyczny może wówczas indukować siłę elektromotoryczną w pobliskim obwodzie.

Zastanówmy się przez chwilę nad cewką indukcyjną z drutu nawojowego pokazaną na poniższym widoku 3D. Gdy przez cewkę przepływa prąd przełączający, z cewki będzie emanować zmiennie pole magnetyczne. Jeśli wrócisz do swoich lekcji z fizyki, wiesz, że zmieniające się pole magnetyczne generowane przez prąd przełączający wywoła indukcję prądu wirowego w otaczających przewodnikach.

Region z liniami pola niemal prostopadłymi do warstwy ziemi na L2 wywoła indukcję prądu wirowego.

Różne typy cewek indukcyjnych będą miały różne rozkłady pola magnetycznego wokół rdzenia cewki. Orientacja rdzenia cewki, materiały użyte do budowy cewki oraz typ cewki (z drutu nawojowego, foliowa, ekranowana itp.) również będą miały znaczenie. W powyższym przypadku mamy cewkę indukcyjną zorientowaną pionowo. Jednakże, jeśli ta cewka jest ekranowana, pole magnetyczne generowane przez prąd przełączający będzie głównie zawarte wewnątrz opakowania cewki. Inne opakowania, takie jak cewki toroidalne, pomagają zatrzymać strumień wewnątrz nawiniętej cewki.

Wycięcia nadal doświadczają indukcyjnej siły elektromotorycznej i prądów

Jeśli umieścisz wycięcie, nadal będzie występować EMF i indukowany prąd w pobliskiej warstwie płaszczyzny. W poniższym przykładzie, zakładając, że pole magnetyczne jest skierowane do wycięcia, wynikowy obieg prądu byłby zgodny z ruchem wskazówek zegara, jak pokazano poniżej.

Jeśli przetniemy to uziemienie przez wszystkie warstwy, mamy teraz bardzo złą sytuację, w której indukujemy te prądy na wszystkich warstwach. Pozwala to również na emisję pola magnetycznego dookoła PCB, podczas gdy normalnie przypadek z GND osłaniałby to. Jest to bardzo złe z perspektywy EMC. Umieszczenie uziemienia poniżej induktora zablokuje to pole magnetyczne przed przenikaniem przez płytę i możliwym zakłócaniem innych komponentów; myślę, że jest to odpowiednie uzasadnienie dla użycia go poniżej induktora.

Jak Magnetycznie Indukowane Prądy Wpływają na Działanie

Logika przedstawiona powyżej zakłada, że jeśli masa zostanie umieszczona poniżej induktora, pole magnetyczne wygeneruje prądy wirowe na następnej warstwie. Te prądy wirowe wygenerują własne pole magnetyczne, które przeciwdziała polu magnetycznemu induktora. Rozumowanie to prowadzi do wniosku, że induktor będzie miał niższą „równoważną” indukcyjność, ponieważ całkowite pole magnetyczne tworzone przez prąd przełączający jest mniejsze. Jeśli chcesz, możesz również myśleć o tym w kategoriach wzajemnej indukcyjności między cewką induktora a płaszczyzną; obniża to całkowitą indukcyjność systemu.

Przypuszczalnym wynikiem byłby wówczas szum indukowany w innych obwodach. Jednak masa zapewnia pewną ochronę przed obwodami i trasowaniem na wewnętrznych warstwach, co ogranicza szum w pobliżu warstwy powierzchniowej. Niezależnie od tego, czy umieścisz wycięcie, czy nie, prąd wirowy i szum i tak będą obecne, więc musisz tolerować pewien szum w obwodach znajdujących się w pobliżu induktora. Ponieważ lepszą opcją jest ochrona przed tym szumem na wszystkich innych warstwach, jestem za umieszczeniem masy poniżej induktora. Przybliżenie masy do elementów w twoim regulatorze mocy jest również ogólnie dobrym pomysłem dla kontroli nad elementami pasożytniczymi.

Podsumowanie

Mamy kilka głównych wniosków z powyższej dyskusji:

1. Umieszczenie masy poniżej induktora obniża jego efektywną indukcyjność; zbliżenie masy do induktora powoduje większy spadek indukcyjności
2. Umieszczenie masy poniżej induktora pomaga chronić inne obwody na wewnętrznych/tylnych warstwach przed szumami bezpośrednio z rdzenia induktora, ale należy uważać, jeśli pętle przełączające są rozmieszczone na całym układzie warstw, ponieważ możliwe jest indukowanie szumów na pobliskich ścieżkach

Podsumowując, można stwierdzić, że umieszczenie masy poniżej węzła przełączającego i induktora w układzie PCB regulatora przełączającego nie jest problematyczne, jeśli jesteś gotów poświęcić trochę indukcyjności z powodu obecności prądów wirowych w sąsiedniej miedzi. Lepszą opcją jest połączenie tego z ekranowanym induktorem; uzyskujesz korzyść z posiadania masy do ekranowania, a obudowa induktora lepiej zawiera pole magnetyczne. Problem z szumami na górnej warstwie rozwiązuje się przez odpowiedni układ i dodatkowe ekranowanie, umieszczając sieci GND bliżej układów sterujących i wszelkich wrażliwych ścieżek. Mark Harris przedstawia ładny przykład w starszym projekcie.

Jeśli chodzi o węzeł przełączający, może toczyć się dyskusja, czy umieszczenie masy blisko węzła przełączającego powoduje nadmierne sprzęganie szumów z dala od węzła przełączającego i do masy. Dopóki pojemność elementu prostującego jest wystarczająco duża, ścieżka o najmniejszej impedancji będzie przebiegać przez element prostujący, a nie przez sprzęganie pojemnościowe z powrotem do pobliskiej płaszczyzny masy. W większości przypadków jest to pojemność końcowa prostujących tranzystorów MOSFET.

Kiedy będziesz gotowy, aby zbudować swój stos warstw i trasować swoją PCB, użyj najlepszego zestawu funkcji układu PCB w Altium Designer®. Kiedy będziesz gotowy, aby podzielić się swoimi projektami z współpracownikami lub producentem, możesz udostępnić swoje ukończone projekty za pośrednictwem platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczęliśmy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.