Следует ли размещать землю под индукторами в импульсных регуляторах?

Мы любим отвечать на вопросы наших читателей и зрителей YouTube, и один из недавних вопросов, который мы получили, касается ЭМП от коммутирующих элементов в коммутирующем регуляторе:

• Следует ли делать вырез под индуктором в схеме коммутирующего регулятора?

Это один из тех вопросов, на которые ответ зависит от типа используемого индуктора в конструкции, ориентации катушки и от того, достаточно ли велико утечка магнитного потока от индуктора, чтобы создать проблему с шумом. Существуют различные типы индукторов с разными форм-факторами, и эти индукторы могут создавать разные профили магнитного поля вокруг компонента во время коммутационной работы в коммутирующем регуляторе.

Несмотря на различия в индукторах и их магнитном поведении, существуют некоторые общие принципы, которые можно использовать для оценки эффектов размещения земли рядом с индукторами в схемах коммутирующих регуляторов. Мы рассмотрим некоторые из этих принципов в этой статье.

Как индуктор связывает шум в коммутирующем регуляторе

Когда индуктор работает с коммутирующим током в схеме регулятора напряжения, коммутирующий ток генерирует магнитное поле. Это базовый факт электромагнетизма, описанный в уравнениях Максвелла. Затем переменное во времени магнитное поле может индуцировать электродвижущую силу в близлежащей цепи.

Давайте на момент рассмотрим катушку индуктивности с проволочной обмоткой, показанную на 3D изображении ниже. Когда через катушку протекает коммутируемый ток, от катушки будет исходить переменное магнитное поле. Если вы вспомните свои уроки физики, то знаете, что изменяющееся магнитное поле, создаваемое коммутируемым током, будет индуцировать вихревой ток в окружающих проводниках.

Область с линиями поля, почти перпендикулярными к заземляющему слою на L2, будет индуцировать вихревой ток.

Различные типы индукторов будут иметь разные распределения магнитного поля вокруг сердечника индуктора. Ориентация сердечника индуктора, материалы, используемые для изготовления индуктора, и тип индуктора (с проволочной обмоткой, пленочный, экранированный и т. д.) также будут иметь значение. В вышеупомянутом случае у нас вертикально ориентированная катушка индуктора. Однако, если этот индуктор экранирован, магнитное поле, создаваемое коммутируемым током, будет в основном содержаться внутри корпуса индуктора. Другие корпуса, например, тороидальные индукторы, помогают удерживать поток внутри обмотанной катушки.

Вырезы Все Еще Испытывают Индуктивную ЭДС и Токи

Если вы сделаете вырез, то в близлежащем слое платы все равно будет индуцироваться ЭМП и возникать ток. В приведенном ниже примере, если предположить, что магнитное поле направлено в вырез, то результирующий токовый контур будет по часовой стрелке, как показано ниже.

Если мы прорежем эту землю через все слои, теперь у нас возникает очень плохая ситуация, когда мы индуцируем эти токи на всех слоях. Это также позволяет магнитному полю излучаться вокруг печатной платы, в то время как в случае с GND обычно это поле блокировалось бы. С точки зрения электромагнитной совместимости (EMC) это очень плохо. Размещение земли под индуктором блокирует прохождение этого магнитного поля через плату и возможное вмешательство в работу других компонентов; я думаю, это подходящее обоснование для его использования под индуктором.

Как магнитно индуцированные токи влияют на работу

Логика выше заключается в том, что если земля расположена под катушкой индуктивности, магнитное поле будет генерировать вихревые токи на следующем слое. Эти вихревые токи будут генерировать свое собственное магнитное поле, которое противодействует магнитному полю катушки индуктивности. Рассуждения идут о том, что катушка индуктивности будет иметь меньшую «эквивалентную» индуктивность, поскольку общее магнитное поле, создаваемое коммутирующим током, ниже. Если хотите, вы также можете рассматривать это с точки зрения взаимной индуктивности между катушкой индуктора и плоскостью; это снижает общую индуктивность системы.

Предполагаемым результатом тогда будет шум, который индуцируется в других цепях. Однако земля обеспечивает некоторую защиту по отношению к цепям и трассировке на внутренних слоях, что ограничивает шум около поверхностного слоя. Независимо от того, делаете ли вы вырез или нет, вихревой ток и шум будут присутствовать в любом случае, поэтому вам придется терпеть некоторый шум в цепях рядом с катушкой индуктивности. Поскольку лучший вариант - защитить от этого шума все остальные слои, я за землю под катушкой индуктивности. Приближение земли к элементам в вашем регуляторе мощности также в целом является хорошей идеей для контроля над паразитными параметрами.

Резюме

У нас есть несколько основных результатов из вышеизложенного обсуждения:

1. Размещение земли под катушкой индуктивности снижает ее эффективную индуктивность; приближение земли к катушке приводит к большему уменьшению индуктивности
2. Размещение земли под катушкой помогает защитить другие цепи на внутренних/задних слоях от помех, исходящих непосредственно от сердечника катушки, но будьте осторожны, если коммутационные петли распределены по стеку, так как это может вызвать помехи на близлежащих дорожках

В заключение, можно с уверенностью сказать, что размещение земли под коммутационным узлом и катушкой индуктивности на плате коммутационного регулятора не является проблематичным, если вы готовы пожертвовать немного индуктивности из-за наличия вихревых токов в соседней меди. Лучшим вариантом будет сочетание этого с экранированной катушкой индуктивности; вы получаете преимущество наличия земли для экранирования, и корпус катушки лучше сдерживает магнитное поле. Проблема с помехами на верхнем слое решается за счет соответствующего размещения и дополнительного экранирования путем размещения сетей GND ближе к управляющей схеме и любым чувствительным дорожкам. Марк Харрис предоставляет хороший пример в одном из старых проектов.

Что касается коммутационного узла, то может возникнуть некоторая дискуссия о том, вызывает ли размещение земли рядом с коммутационным узлом избыточное шумовое взаимодействие от коммутационного узла в сторону земли. До тех пор, пока емкость выпрямляющего элемента достаточно велика, путь наименьшего импеданса будет через выпрямляющий элемент, а не через емкостное связывание обратно к близлежащей земляной плоскости. В большинстве случаев это конечная емкость выпрямляющих МОП-транзисторов.

Когда вы будете готовы создать свою стеклянную структуру и проложить трассы на вашей печатной плате, используйте лучший набор функций для размещения печатных плат в Altium Designer®. Когда вы будете готовы поделиться своими проектами с коллегами или производителем, вы можете поделиться своими завершенными проектами через платформу Altium 365™. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.