Layout de Regulador de Comutação: Uma ou Duas Camadas?

Olhe para o layout típico de um regulador de comutação em uma PCB; geralmente, tudo é colocado em uma única camada por várias razões. Às vezes, como em cenários de baixa potência, o circuito é fisicamente pequeno, então realmente não há necessidade de usar duas camadas para economizar espaço. Para reguladores de comutação maiores, o tamanho fisicamente grande dos componentes significa que a colocação em duas camadas pode economizar algum espaço em teoria, mas isso torna a colocação dentro de um invólucro mais difícil devido às restrições de montagem.

Quando você tem um regulador de comutação de tamanho médio, que pode ter alguns discretos e alguns MOSFETs, você tem alguma flexibilidade para colocar tudo em duas camadas, pois normalmente não tem peças mecânicas grandes (dissipador de calor ou ventiladores) ou capacitores/indutores altos. Você deve colocar tudo em uma única camada ou em duas camadas, e qual será o impacto no desempenho?

Como se verifica, o principal impacto do posicionamento em duas camadas está nos termos de parasitas e acoplamento de ruído. Você provavelmente poderia tornar o design menor e possivelmente ter menor EMI irradiado/recebido, mas poderia criar um forte acoplamento com interconexões próximas se não for bem planejado. Vamos analisar isso mais a fundo para ver onde o ruído começa a criar problemas e quais são algumas soluções para prevenir o acoplamento de ruído.

Ruído em Reguladores de Comutação de Uma Camada e Duas Camadas

Todos os reguladores de comutação geram ruído em seu nó dV/dt e laço dI/dt. Para topologias mais complexas, como topologias de meio-ponte/ponte completa, o nó de comutação pode se mover entre diferentes locais no design dependendo da diferença de fase entre os FETs de comutação. Se houver um circuito PFC na placa e ele estiver operando em modo de condução crítica, então ele vai modular profundamente em seus nós de comutação de alto e baixo lado para gerar picos altos de dV/dt. De qualquer forma, o nó dV/dt determinará a localização do laço dI/dt. Juntos, estes determinarão como o ruído pode ser acoplado ao redor do design.

O diagrama do circuito do conversor buck abaixo mostra onde esses nós existem. Diagramas semelhantes poderiam ser desenhados para um conversor boost ou para uma topologia isolada. O nó de comutação e o laço de corrente pulsante são indicados no diagrama; estes são os pontos onde o circuito irá irradiar mais ruído.

Esse tipo de circuito poderia ser montado usando um driver de porta para gerar o pulso PWM e modular o Q1. Topologias mais avançadas de ponte ou ressonantes basicamente farão a mesma coisa, mas o laço de corrente e o nó dV/dt podem trocar entre diferentes pontos dependendo da topologia.

Ao determinar onde colocar os componentes (layout de PCB de face única vs. dupla face), você estará equilibrando a área ocupada pelo regulador vs. o ruído de comutação que o regulador pode acoplar em outros circuitos. Para ver algumas vantagens de cada estilo, vamos olhar alguns exemplos.

Exemplo de Layout de PCB de Face Única

Para este exemplo, vou analisar um CI regulador buck (TPS562201 da Texas Instruments) que pode fornecer até 2 A de corrente. O circuito utiliza um loop de feedback com um divisor de resistência para sentir a tensão de saída e ajustar um temporizador de disparo único para acionar os MOSFETs internos que irão gerar a comutação. Portanto, o loop de dI/dt na saída abrangerá o plano de terra no die do CI e precisará ter um terra uniforme abaixo dele.

Temos dois objetivos ao transferir este circuito para o layout:

1. Prevenir o ruído de dV/dt proveniente do SW_OUT e o ruído acoplado magneticamente de alcançar o loop de feedback através da capacitância parasita e da indutância parasita.
2. Garantir que o loop de dI/dt seja o menor possível para que não irradie fortemente e para que a indutância dos condutores neste loop não contribua para um overshoot transitório excessivo durante a comutação.

Um exemplo de uma abordagem típica para a disposição deste pequeno regulador de comutação em uma PCB é mostrado abaixo. Eu tracei aproximadamente o caminho da corrente de comutação na placa para que possamos ver onde o design é suscetível a irradiar. O empilhamento usa 4 camadas. Neste design, temos uma linha de feedback indo de R1 de volta para U1 (o traço na Camada 2), bem como o grande nó de comutação de cobre (SW_OUT).

O traço de feedback pode ser suscetível a algum acoplamento de ruído, o que é bastante importante nesta aplicação. Esta linha está sendo usada para determinar quando um temporizador interno de disparo único precisa ser reiniciado para que o MOSFET interno possa ser acionado para o próximo ciclo de comutação. Portanto, você gostaria de evitar ruídos fortes e garantir uma medição de feedback precisa. Neste exemplo, colocá-lo na Camada 2 e cercá-lo por terra é uma boa estratégia para garantir baixa indutância. Manter este traço seguro do ruído de comutação de L1 poderia ser feito de três maneiras:

1. Mantenha-o na camada inferior e mova-o para mais longe de L1 e SW_OUT
2. Coloque-o na camada superior, circunde-o com um pouco de cobre e proteja-o com vias de comutação cuidadosamente dimensionadas
3. Coloque o traço na camada de trás para que fique totalmente blindado por GND

Se quisermos seguir com a opção #3, podemos também colocar os capacitores de saída na camada de trás! Vamos ver como isso fica.

Cuidado com Circuitos Reguladores de Duas Camadas

Circuitos de duas camadas com um laço de corrente no lado de saída são atraentes para o layout em duas camadas. Esta disposição é às vezes chamada de design tipo concha devido ao arranjo da seção LC no regulador. A principal razão pela qual você pode optar por este tipo de roteamento é para controlar os parasitas, o que então lhe dá controle sobre o acoplamento de ruído de comutação em outros circuitos. Isso é altamente desejável se você estiver projetando um regulador de potência de fator de forma pequeno que possa estar próximo a outros circuitos.

Nosso circuito de duas camadas modificado é mostrado abaixo (Foco na Camada 1). Deixei U1, C5 e L1 na camada superior; todos os passivos menores estão na camada inferior. Se essa placa fosse colocada em uma caixa com pequenos suportes, não teria problemas com componentes volumosos em duas camadas. Também conseguimos tornar a placa muito menor em comparação com o layout anterior.

A camada inferior é mostrada abaixo. Ao mover os passivos para a camada inferior, apertamos o loop de feedback de modo que ele tenha menor indutância e está totalmente blindado de L1 pelo terra nas Camadas 2 e 3. Outro benefício é o SW_OUT; ele também está totalmente blindado do loop de feedback.

Como Podemos Melhorar o Layout?

Sou um crente de que nenhum layout é perfeito, e sempre há algumas melhorias a serem feitas. O layout acima tecnicamente funcionará, mas algumas mudanças no layout farão algum bem e ajudarão a tornar o layout um pouco mais compacto. A desvantagem do layout é que o campo magnético está sendo gerado ao longo da superfície da placa, então não podemos rotear quaisquer sinais de dados ao longo das bordas superior e inferior da PCB. Isso é algo a ter em mente ao colocar este design em outro layout que incluirá alguns sinais de dados.

Outra maneira de melhorar o layout é colocar esses resistores de feedback e o traço de feedback. Idealmente, gostaríamos de ter esses resistores (R1 e R2) mais próximos ao pino de feedback. Se esses fossem resistores de sensação de corrente, então também gostaríamos de implementar uma conexão Kelvin para garantir a menor modificação possível na resistência da rede de feedback. Embora colocar isso na camada traseira e adicionar algum GND ajude a adicionar alguma blindagem, é melhor colocar esses resistores perto do pino de feedback para o rastreamento mais preciso da tensão de saída.

Se apenas aplicarmos uma rotação de 90 graus em U1, e movermos os componentes, podemos tornar o layout um pouco mais compacto e reduzir o tamanho da placa.

Prefiro isso porque a maior parte do nó SW_OUT está acima do GND, em vez de acima do traço de feedback. O loop de dI/dt através de C3 e C4 também é muito mais apertado. Mover esses resistores de feedback também ajuda a reduzir o tamanho total do layout da PCB.

Se isso fosse apenas um módulo regulador simples e o total de camadas de cobre fosse de 2, então não teríamos outras alavancas para puxar para proteger quaisquer traços sensíveis do nó de comutação além de apenas mover os traços para mais longe de SW_OUT e aumentar as distâncias totais de roteamento. Se esse layout fosse usado em um produto real com alguns outros componentes, então você provavelmente teria algum preenchimento de GND ou uma camada inteira de GND interna (por exemplo, pelo menos uma placa de 4 camadas). Isso te dá uma maneira de reduzir ainda mais tanto a indutância do loop para o traço de feedback/SW_OUT quanto de bloquear esses traços de controle do nó SW, proporcionando assim alguma proteção contra o acoplamento de ruído.

Escalando

Se você entender esses princípios com um único MOSFET de potência, então poderá escalá-los para um conversor síncrono com dois MOSFETs, ou para um conversor de ponte, conversor ressonante ou conversor multiphase mais avançado. Esses layouts são mais complexos porque há mais locais onde o ruído pode acoplar a outros circuitos no layout da sua PCB. No entanto, seguir os princípios de acoplamento de ruído acima ajudará a garantir que você seja bem-sucedido se estiver projetando topologias de potência mais avançadas.

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