Nên Đặt Mặt Đất Dưới Các Cuộn Cảm trong Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch?

Chúng tôi rất thích trả lời các câu hỏi từ độc giả và người xem YouTube của mình, và một trong những câu hỏi gần đây chúng tôi nhận được liên quan đến EMI từ các thành phần chuyển mạch trong một bộ điều chỉnh chuyển mạch:

• Có nên đặt một lỗ cắt phía dưới cuộn cảm trong mạch điều chỉnh chuyển mạch không?

Đây là một trong những câu hỏi "tùy thuộc" vì nó liên quan đến loại cuộn cảm được sử dụng trong thiết kế, hướng cuộn dây, và liệu rò rỉ từ trường từ cuộn cảm có đủ lớn để tạo ra vấn đề tiếng ồn hay không. Có các loại cuộn cảm khác nhau với các hình dạng khác nhau, và những cuộn cảm này có thể tạo ra các hồ sơ trường từ khác nhau xung quanh linh kiện trong quá trình hoạt động chuyển mạch trong một bộ điều chỉnh chuyển mạch.

Mặc dù có sự biến đổi trong cuộn cảm và hành vi từ trường của chúng, vẫn có một số nguyên tắc chung có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của việc đặt mặt đất gần cuộn cảm trong mạch điều chỉnh chuyển mạch. Chúng tôi sẽ xem xét một số nguyên tắc này trong bài viết này.

Cách một Cuộn Cảm Kết Nối Tiếng Ồn trong một Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch

Khi một cuộn cảm hoạt động với dòng chuyển mạch trong một mạch điều chỉnh điện áp, dòng chuyển mạch tạo ra một trường từ. Đây là một sự thật cơ bản của điện từ học như được mô tả trong các phương trình của Maxwell. Trường từ biến thiên theo thời gian sau đó có thể gây ra một lực điện động trong một mạch gần đó.

Hãy cùng xem xét một chút về cuộn cảm dây quấn được hiển thị trong hình 3D dưới đây. Khi dòng điện chuyển mạch chảy qua cuộn dây, sẽ có một trường từ biến thiên phát ra từ cuộn dây. Nếu bạn nhớ lại các bài học vật lý của mình, bạn sẽ biết rằng trường từ biến thiên do dòng điện chuyển mạch tạo ra sẽ gây ra dòng điện xoáy trong các dẫn điện xung quanh.

Vùng có các đường sức từ gần như vuông góc với lớp đất ở L2 sẽ gây ra dòng điện xoáy.

Các loại cuộn cảm khác nhau sẽ có sự phân bố khác nhau của trường từ xung quanh lõi cuộn cảm. Hướng của lõi cuộn cảm, các vật liệu được sử dụng để chế tạo cuộn cảm, và loại cuộn cảm (dây quấn, loại phim, có vỏ bảo vệ, v.v.) cũng sẽ quan trọng. Trong trường hợp trên, chúng ta có một cuộn cảm hướng dọc. Tuy nhiên, nếu cuộn cảm này được bảo vệ, trường từ do dòng điện chuyển mạch tạo ra sẽ chủ yếu được giữ lại bên trong bao bì cuộn cảm. Các bao bì khác như cuộn cảm toroidal giúp giữ flux bên trong cuộn dây được quấn.

Các khoảng trống Vẫn Gặp Phải EMF Cảm Ứng và Dòng Điện

Nếu bạn tạo một lỗ cắt, vẫn sẽ có một trường EMF và dòng điện kết quả được gây ra trong lớp mặt phẳng gần đó. Trong ví dụ dưới đây, nếu chúng ta giả định trường từ hướng vào lỗ cắt, thì dòng điện kết quả sẽ theo chiều kim đồng hồ như được hiển thị dưới đây.

Nếu chúng ta cắt lớp đất qua tất cả các lớp, bây giờ chúng ta có một tình huống rất xấu khi chúng ta đang gây ra những dòng điện này trên tất cả các lớp. Nó cũng cho phép trường từ phát tán xung quanh PCB, trong khi trường hợp có GND sẽ bình thường che chắn điều này. Điều này rất xấu từ góc độ EMC. Đặt mặt đất dưới cuộn cảm sẽ chặn trường từ này không cho nó đi qua bảng mạch và có thể gây nhiễu với các thành phần khác; Tôi nghĩ đây là một lý do thích hợp để sử dụng nó dưới cuộn cảm.

Cách Dòng Điện Do Từ Trường Gây Ra Ảnh Hưởng Đến Hoạt Động

Lý luận trên cho rằng, nếu đặt mặt đất dưới cuộn cảm, từ trường sẽ tạo ra dòng điện xoáy trên lớp kế tiếp. Những dòng điện xoáy này sẽ tạo ra từ trường riêng của chúng, chống lại từ trường của cuộn cảm. Lý do là cuộn cảm sẽ có "độ tự cảm tương đương" thấp hơn vì tổng từ trường tạo ra bởi dòng điện chuyển mạch thấp hơn. Nếu bạn muốn, bạn cũng có thể nghĩ về điều này theo hướng độ tự cảm lẫn nhau giữa cuộn dây cảm và mặt phẳng; điều này làm giảm tổng độ tự cảm của hệ thống.

Kết quả được cho là tiếng ồn được tạo ra trong các mạch khác. Tuy nhiên, mặt đất cung cấp một số sự che chắn đối với các mạch và đường dẫn trên các lớp nội bộ, giới hạn tiếng ồn gần lớp bề mặt. Cho dù bạn có đặt lỗ cắt hay không, dòng điện xoáy và tiếng ồn vẫn sẽ xuất hiện, vì vậy bạn sẽ phải chịu đựng một số tiếng ồn trong các mạch gần cuộn cảm. Vì lựa chọn tốt hơn là che chắn chống lại tiếng ồn này ở tất cả các lớp khác, tôi ủng hộ việc đặt mặt đất dưới cuộn cảm. Đưa mặt đất gần hơn với các thành phần trong bộ điều chỉnh công suất của bạn cũng là một ý tưởng tốt nói chung để kiểm soát các yếu tố nhiễu.

Tóm tắt

Chúng ta có một vài kết quả chính từ cuộc thảo luận trên:

1. Đặt mặt đất dưới cuộn cảm làm giảm độ tự cảm hiệu quả của nó; đưa mặt đất lại gần cuộn cảm hơn sẽ làm giảm độ tự cảm nhiều hơn
2. Đặt mặt đất dưới cuộn cảm giúp bảo vệ các mạch khác trên các lớp nội bộ/mặt sau khỏi nhiễu trực tiếp từ lõi cuộn cảm, nhưng hãy cẩn thận nếu các vòng chuyển mạchđược phân bố xuyên suốt bố cục vì có thể gây ra nhiễu trên các đường dẫn gần đó

Để kết luận, có thể nói rằng việc đặt mặt đất dưới nút chuyển mạch và cuộn cảm trong bố cục PCB của bộ điều chỉnh chuyển mạch không phải là vấn đề nếu bạn sẵn lòng hy sinh một chút độ tự cảm do sự hiện diện của dòng điện xoáy trong đồng kề bên. Một lựa chọn tốt hơn là kết hợp điều này với một cuộn cảm có vỏ bọc; bạn nhận được lợi ích của việc có mặt đất để che chắn và gói cuộn cảm sẽ giữ trường từ tốt hơn. Vấn đề về nhiễu trên lớp trên cùng được giải quyết thông qua bố cục phù hợp và che chắn bổ sung bằng cách đặt các mạng GND gần hơn với mạch điều khiển và bất kỳ đường dẫn nhạy cảm nào.Mark Harris cung cấp một ví dụ hay trong một dự án cũ.

Về phần nút chuyển mạch, có thể có một số tranh cãi liệu việc đặt mặt đất gần nút chuyển mạch có gây ra sự cộng hưởng tiếng ồn quá mức từ nút chuyển mạch sang mặt đất hay không. Miễn là dung lượng của phần tử chỉnh lưu đủ lớn, con đường có trở kháng thấp nhất sẽ qua phần tử chỉnh lưu thay vì qua sự cộng hưởng điện dung trở lại với mặt đất gần đó. Trong hầu hết các trường hợp, đây là dung lượng cuối của các MOSFET chỉnh lưu.

Khi bạn sẵn sàng xây dựng bản xếp chồng và định tuyến PCB của mình, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế bố trí PCB tốt nhất trong Altium Designer®. Khi bạn sẵn sàng chia sẻ thiết kế của mình với các cộng tác viên hoặc nhà sản xuất của bạn, bạn có thể chia sẻ thiết kế hoàn chỉnh thông qua nền tảng Altium 365™. Tất cả những gì bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.