Deve-se Colocar o Terra Abaixo dos Indutores em Reguladores Chaveados?

Adoramos responder às perguntas dos nossos leitores e espectadores do YouTube, e uma das perguntas recentes que recebemos está relacionada à EMI proveniente de elementos de comutação em um regulador de comutação:

• Deve-se colocar um recorte abaixo do indutor em um circuito de regulador de comutação?

Esta é mais uma daquelas perguntas do tipo "depende", pois está relacionada ao tipo de indutor usado no design, à orientação da bobina e se o vazamento de fluxo magnético do indutor é grande o suficiente para criar um problema de ruído. Existem diferentes tipos de indutores com diferentes formatos, e esses indutores podem produzir diferentes perfis de campo magnético ao redor do componente durante a operação de comutação em um regulador de comutação.

Apesar das variações nos indutores e seu comportamento magnético, existem alguns princípios gerais que podem ser usados para avaliar os efeitos de colocar terra perto de indutores em circuitos de reguladores de comutação. Vamos olhar para alguns desses princípios neste artigo.

Como um Indutor Acopla Ruído em um Regulador de Comutação

Quando um indutor está operando com uma corrente de comutação em um circuito de regulador de tensão, a corrente de comutação gera um campo magnético. Este é um fato básico do eletromagnetismo, conforme descrito nas equações de Maxwell. O campo magnético variável no tempo pode então induzir uma força eletromotriz em um circuito próximo.

Vamos considerar por um momento o indutor enrolado mostrado na visualização 3D abaixo. Quando uma corrente de comutação flui através da bobina, haverá um campo magnético variável no tempo emanando da bobina. Se você voltar às suas aulas de física, saberá que o campo magnético em mudança gerado pela corrente de comutação induzirá uma corrente de Foucault nos condutores circundantes.

A região com linhas de campo quase perpendiculares à camada de terra em L2 induzirá uma corrente de Foucault.

Diferentes tipos de indutores terão diferentes distribuições do campo magnético ao redor do núcleo do indutor. A orientação do núcleo do indutor, os materiais usados para construir o indutor e o tipo de indutor (enrolado, tipo filme, blindado, etc.) também importarão. No caso acima, temos uma bobina de indutor orientada verticalmente. No entanto, se este indutor for blindado, o campo magnético gerado pela corrente de comutação será principalmente contido dentro da embalagem do indutor. Outras embalagens, como indutores toroidais, ajudam a conter o fluxo dentro da bobina enrolada.

Cortes Ainda Experimentam uma FEM Indutiva e Correntes

Se você fizer um recorte, ainda haverá um campo eletromagnético (EMF) e corrente induzida resultante na camada de plano próxima. No exemplo abaixo, se assumirmos que o campo magnético está apontando para dentro do recorte, então a corrente resultante seria no sentido horário, como mostrado abaixo.

Se cortarmos esse aterramento por todas as camadas, agora temos uma situação muito ruim onde estamos induzindo essas correntes em todas as camadas. Isso também permite que o campo magnético se espalhe ao redor da PCB, enquanto o caso com GND normalmente protegeria isso. Isso é muito ruim do ponto de vista da EMC. Colocar o aterramento abaixo do indutor bloqueará esse campo magnético de passar pela placa e possivelmente interferir com outros componentes; Eu acho que esta é uma justificativa apropriada para usá-lo abaixo do indutor.

Como as Correntes Induzidas Magneticamente Afetam a Operação

A lógica acima sugere que, se o terra for colocado abaixo do indutor, o campo magnético gerará correntes parasitas na próxima camada. Essas correntes parasitas gerarão seu próprio campo magnético que se opõe ao campo magnético do indutor. O raciocínio é que o indutor terá uma indutância "equivalente" menor porque o campo magnético total criado pela corrente de comutação é menor. Se quiser, você também pode pensar nisso em termos da indutância mútua entre a bobina do indutor e o plano; isso reduz a indutância total do sistema.

O resultado suposto seria então ruído que é induzido em outros circuitos. No entanto, o terra oferece alguma proteção em relação aos circuitos e roteamento em camadas internas, o que confina o ruído perto da camada superficial. Independentemente de você colocar ou não o recorte, a corrente parasita e o ruído estariam lá de qualquer forma, então você terá que tolerar algum ruído em circuitos próximos ao indutor. Já que a melhor opção é proteger contra esse ruído em todas as outras camadas, sou a favor do terra abaixo do indutor. Aproximar o terra dos elementos no seu regulador de potência também é geralmente uma boa ideia para controle sobre parasitas.

Resumo

Obtemos alguns resultados principais da discussão acima:

1. Colocar o terra abaixo do indutor reduz sua indutância efetiva; aproximar o terra do indutor produz uma maior diminuição na indutância
2. Colocar o terra abaixo do indutor ajuda a proteger outros circuitos nas camadas internas/traseiras contra ruídos diretamente do núcleo do indutor, mas tenha cuidado se os loops de comutação estiverem distribuídos pelo empilhamento, pois é possível induzir ruído em trilhas próximas

Em conclusão, é justo concluir que colocar o terra abaixo do nó de comutação e do indutor em um layout de PCB de regulador de comutação não é problemático se você estiver disposto a sacrificar um pouco de indutância devido à presença de correntes parasitas no cobre adjacente. Uma opção melhor é combinar isso com um indutor blindado; você obtém o benefício de ter o terra para blindagem e o pacote do indutor conterá melhor o campo magnético. O problema com ruído na camada superior é resolvido através de um layout apropriado e blindagem adicional, colocando as redes GND mais próximas à circuitaria de controle e quaisquer trilhas sensíveis.Mark Harris fornece um bom exemplo em um projeto mais antigo.

No que diz respeito ao nó de comutação, pode haver algum debate sobre se a colocação de terra perto do nó de comutação causa acoplamento excessivo de ruído para longe do nó de comutação e para o terra. Contanto que a capacitância do elemento retificador seja grande o suficiente, o caminho de menor impedância será através do elemento retificador em vez de através do acoplamento capacitivo de volta para o plano de terra próximo. Na maioria dos casos, esta é a capacitância terminal dos MOSFETs retificadores.

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