Расположение регулятора переключения: на одном или двух слоях?

Взгляните на типичную компоновку импульсного регулятора на печатной плате; обычно все элементы размещаются на одном слое по нескольким причинам. Иногда, как в случае с низкой мощностью, схема физически мала, поэтому действительно нет необходимости использовать два слоя для экономии места. Для больших импульсных регуляторов физически большой размер компонентов означает, что размещение на двух слоях теоретически может сэкономить некоторое пространство, но это усложняет размещение внутри корпуса из-за ограничений крепления.

Когда у вас есть импульсный регулятор среднего размера, который может иметь несколько дискретных элементов и некоторые MOSFET, у вас есть некоторая гибкость для размещения всего на двух слоях, поскольку обычно у вас нет больших механических частей (радиаторы или вентиляторы) или высоких конденсаторов/индукторов. Следует ли размещать все на одном слое или на двух слоях, и как это повлияет на производительность?

Оказывается, что основное влияние размещения на двух слоях заключается в параметрах паразитных элементов и связи помех. Возможно, вы сможете сделать дизайн меньше и, возможно, достичь меньшего уровня излучаемых/принимаемых ЭМИ, но вы можете создать сильную связь с близлежащими межсоединениями, если не выполнить размещение должным образом. Давайте рассмотрим это подробнее, чтобы увидеть, откуда начинают возникать проблемы с шумом и какие существуют решения для предотвращения связи помех.

Шум в однослойных и двухслойных регуляторах напряжения

Все регуляторы напряжения генерируют шум на своих узлах изменения напряжения со временем (dV/dt) и петлях изменения тока со временем (dI/dt). Для более сложных топологий, таких как топологии полумоста/полномоста, коммутирующий узел может перемещаться между различными местами в дизайне в зависимости от разности фаз между коммутирующими полевыми транзисторами (FET). Если на плате есть схема коррекции коэффициента мощности (PFC) и она работает в критическом режиме проводимости, то она будет глубоко модулироваться на своих верхнем и нижнем коммутирующих узлах, создавая высокие пики dV/dt. В любом случае, узел dV/dt будет определять местоположение петли dI/dt. Вместе они определят, как шум может быть связан по всему дизайну.

Пример схемы понижающего преобразователя ниже показывает, где находятся эти узлы. Подобные схемы могут быть нарисованы для повышающего преобразователя или для изолированной топологии. В схеме указаны коммутирующий узел и пульсирующий токовый контур; это точки, в которых схема будет излучать наибольшее количество помех.

Такой тип схемы может быть разработан с использованием драйвера затвора для генерации ШИМ-импульса и модуляции Q1. Более продвинутые топологии моста или резонансные топологии будут делать примерно то же самое, но токовый контур и узел dV/dt могут меняться местами в зависимости от топологии.

Определяя, где разместить компоненты (односторонняя против двусторонней разводки печатной платы), вы будете балансировать между площадью, занимаемой регулятором, и помехами, которые регулятор может передавать в другие схемы. Чтобы увидеть некоторые преимущества каждого стиля, давайте рассмотрим несколько примеров.

Пример разводки однослойной печатной платы

Для этого примера я рассмотрю интегральную схему понижающего регулятора (TPS562201 от Texas Instruments), которая может обеспечить ток до 2 А. Схема использует обратную связь с делителем напряжения на резисторах для контроля выходного напряжения и регулировки однократного таймера для активации внутренних МОП-транзисторов, которые будут генерировать коммутацию. Таким образом, петля изменения выходного тока dI/dt будет охватывать земляную плоскость на кристалле ИС и потребует равномерного заземления под ней.

У нас две цели при переносе этой схемы на плату:

1. Предотвратить шум dV/dt от SW_OUT и магнитно-связанный шум от попадания в петлю обратной связи через паразитную емкость и паразитную индуктивность.
2. Обеспечить минимально возможный размер петли dI/dt, чтобы она не излучала сильно и чтобы индуктивность проводников в этой петле не способствовала чрезмерному переходному перенапряжению во время коммутации.

Пример типичного подхода к размещению этого маленького коммутируемого регулятора на печатной плате показан ниже. Я примерно проследил путь коммутируемого тока на плате, чтобы мы могли увидеть, где конструкция подвержена излучению. Стек состоит из 4 слоев. В этом дизайне у нас есть обратная связь, идущая от R1 к U1 (дорожка на слое 2), а также большой медный коммутируемый узел (SW_OUT).

Дорожка обратной связи может быть подвержена некоторому шумовому воздействию, что довольно важно в этом приложении. Эта линия используется для определения момента, когда необходимо сбросить внутренний однократный таймер, чтобы можно было запустить внутренний MOSFET для следующего коммутационного цикла. Следовательно, вы хотели бы избежать сильных помех и обеспечить точное измерение обратной связи. В этом примере размещение её на слое 2 и окружение землей является хорошей стратегией для обеспечения низкой индуктивности. Защита этой дорожки от коммутационных помех от L1 может быть обеспечена тремя способами:

1. Оставьте его на нижнем слое и переместите подальше от L1 и SW_OUT
2. Разместите его на верхнем слое, окружите некоторым количеством медного залива и защитите тщательно подобранными переключающими переходами
3. Проведите дорожку на заднем слое, чтобы она была полностью защищена GND

Если мы хотим выбрать вариант #3, то мы также можем разместить выходные конденсаторы на заднем слое! Давайте посмотрим, как это будет выглядеть.

Осторожно с двухслойными схемами регуляторов

Двухслойные схемы с петлей тока на выходной стороне привлекательны для размещения в двух слоях. Такая конфигурация иногда называется дизайном "моллюск" из-за расположения LC-секции в регуляторе. Основная причина, по которой вы можете выбрать такой тип маршрутизации, - это контроль над паразитными элементами, который затем дает вам контроль над связыванием переключающих шумов на другие схемы. Это очень желательно, если вы разрабатываете компактный регулятор мощности, который может находиться рядом с другими схемами.

Наша модифицированная двухслойная плата представлена ниже (сфокусировано на Слое 1). Я оставил U1, C5 и L1 на верхнем слое; все мелкие пассивные элементы находятся на нижнем слое. Если бы эта плата должна была быть установлена в корпус с маленькими опорами, она бы не имела никаких проблем с объемными компонентами на двух слоях. Мы также смогли сделать плату гораздо меньше по сравнению с предыдущей компоновкой.

Нижний слой показан ниже. Перемещая пассивные элементы на нижний слой, мы улучшили обратную связь, так что она имеет меньшую индуктивность и полностью защищена от L1 землей на Слое 2 и 3. Другое преимущество - SW_OUT; он также полностью защищен от петли обратной связи.

Как мы можем улучшить компоновку?

Я убежден, что идеальных плат не бывает, и всегда найдутся аспекты для улучшения. Указанная выше плата технически работоспособна, но несколько изменений в компоновке могут принести пользу и сделать плату немного компактнее. Недостаток платы заключается в том, что магнитное поле генерируется вдоль поверхности платы, поэтому мы не можем прокладывать данные сигналы вдоль верхнего и нижнего краев печатной платы. Это следует учитывать при размещении этого дизайна в другую компоновку, которая будет включать некоторые данные сигналы.

Другой способ улучшить компоновку - это разместить эти резисторы обратной связи и трассу обратной связи. В идеале мы хотели бы, чтобы эти резисторы (R1 и R2) были расположены ближе к выводу обратной связи. Если бы это были резисторы измерения тока, то мы также захотели бы реализовать соединение Кельвина, чтобы обеспечить наименьшее возможное изменение сопротивления сети обратной связи. Хотя размещение этого на заднем слое и добавление некоторого GND помогает добавить некоторое экранирование, лучше разместить эти резисторы ближе к выводу обратной связи для наиболее точного отслеживания выходного напряжения.

Если мы просто применим поворот на 90 градусов к U1 и сдвинем компоненты, мы сможем сделать компоновку немного компактнее и уменьшить размер платы.

Мне это нравится больше, потому что большая часть узла SW_OUT находится выше GND, а не выше трассы обратной связи. Петля dI/dt через C3 и C4 также значительно компактнее. Перемещение этих резисторов обратной связи также помогает уменьшить общий размер компоновки печатной платы.

Если бы это был просто модуль регулятора и общее количество слоев составляло бы 2 медных слоя, тогда у нас не было бы других рычагов воздействия, чтобы защитить любые чувствительные трассы от коммутирующего узла, кроме как просто переместить трассы подальше от SW_OUT и увеличить общую длину маршрутов. Если бы такая компоновка использовалась в реальном продукте с некоторыми другими компонентами, то, вероятно, у вас был бы слой GND или целая плоскость GND на внутреннем слое (например, как минимум плата на 4 слоя). Это дает вам возможность дополнительно уменьшить как индуктивность петли для трассы обратной связи/SW_OUT, так и блокировать эти управляющие трассы от узла SW, тем самым обеспечивая некоторую защиту от помех.

Масштабирование

Если вы понимаете эти принципы на примере одного силового MOSFET, то вы можете масштабировать это до синхронного преобразователя с двумя MOSFET или до более сложного мостового преобразователя, резонансного преобразователя или многофазного преобразователя. Эти схемы более сложные, поскольку существует больше мест, где шум может передаваться на другие цепи в вашей плате PCB. Однако следование принципам подавления шума, описанным выше, поможет вам добиться успеха при проектировании более сложных топологий питания.

Когда вам нужно разместить и проложить трассы вашего преобразователя с коммутацией, используйте функции CAD в Altium Designer®. Вы получите свободу быстро размещать компоненты на любом слое и настраивать ваш стек слоёв для контроля над шумом. Когда вы будете готовы поделиться своими проектами с коллегами или производителем, вы можете поделиться своими завершёнными проектами через платформу Altium 365™. Всё, 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 вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.