Parasitisme minimaliseren in schakelende voedingen

Schakelende voedingen zijn populair vanwege hun efficiëntie en flexibiliteit. Toch brengen ze uitdagingen met zich mee naarmate ze meer worden gebruikt in nieuwe toepassingen. Het meest opvallend is dat het schakelen van hoge frequenties kan leiden tot elektromagnetische interferentie (EMI) in de rest van het systeem. Bovendien verlagen dezelfde factoren die tot EMI kunnen leiden ook de efficiëntie, wat een van de belangrijkste voordelen van schakelende voedingen ondermijnt.

Om deze problemen te voorkomen, moeten ontwerpers extra voorzichtig zijn bij het configureren van de zogeheten 'hot loop', het deel van het voedingscircuit waar snel geschakeld wordt. Het minimaliseren van parasitaire verliezen van de hot loop door een equivalente serieweerstand (ESR) en equivalente serie-inductie (ESL) is essentieel. Dit kan worden bereikt door voor sterk geïntegreerde voedingscomponenten te kiezen evenals een zorgvuldige printlay-out.

Dit artikel introduceert hot loops en de bronnen van parasitair verlies, waaronder koppelcondensatoren, vermogenseffecttransistors (FET's) en printplaatvia's. Vervolgens wordt een voorbeeld gegeven van een sterk geïntegreerde vermogensomzetter van Analog Devices en worden verschillende printlay-outs en hun effecten op parasitaire parameters gepresenteerd. We sluiten af met praktische tips voor ESR- en ESL-reductie.

Grondbeginselen van hot loops in schakelende voedingen

Elk voedingsontwerp met snel schakelende stromen, zoals boost-, buck-boost- en flyback-converters, heeft hot loops met stromen die schakelen bij hoge frequenties. Dit concept wordt geïllustreerd aan de hand van een vereenvoudigde buck-converter, ook bekend als een step-down converter (afbeelding 1). De stroomkring aan de linkerkant (rood) bevat alle schakelelementen; de hoogfrequente stroom die door de schakeling worden gegenereerd, bevinden zich hierin en vormen de hot loop.

Afbeelding 1: Een vereenvoudigde buck-converter illustreert het principe van een hot loop, rood gemarkeerd. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het 'hete' aspect komt door de aanzienlijke energieomzettings- en schakelactiviteiten die in dit deel van het circuit plaatsvinden en die vaak gepaard gaan met warmteontwikkeling. De juiste lay-out en het juiste ontwerp van deze hot loops zijn essentieel om EMI te minimaliseren en een efficiënte werking van de voeding te garanderen.

De meer realistische schakeling in afbeelding 2 toont een DC-DC synchrone buck-converter. Voor deze hot loop zijn de fysieke componenten (zwart weergegeven) de ingangscondensator (C_IN) en de schakelende metaaloxidehalfgeleider-FET's (MOSFET's), M1 en M2.

Afbeelding 2: Realistische hot loops bevatten onvermijdelijk parasitaire parameters, rood weergegeven. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De parasitaire parameters in de hot loop zijn rood afgebeeld. De ESL ligt meestal in het nanohenry (nH) bereik, terwijl de ESR in het milliohm (mΩ) bereik ligt. Het hoogfrequent schakelen veroorzaakt rinkelen in de ESL's, wat resulteert in EMI. De energie die is opgeslagen in de ESL's wordt vervolgens gedissipeerd door de ESR's, wat leidt tot vermogensverlies.

Minimaliseren van parasitaire parameters met geïntegreerde componenten

Deze parasitaire impedanties (ESR's, ESL's) treden op in de componenten en langs de hot loop printsporen. Om deze parameters te minimaliseren, moeten ontwerpers zorgvuldig componenten kiezen en de lay-out van de printplaat optimaliseren.

Eén manier om beide doelen te bereiken is het gebruik van geïntegreerde componenten. Deze elimineren de printplaatsporen die nodig zijn voor afzonderlijke componenten, terwijl het totale oppervlak van de hot loop wordt verkleind. Beide dragen bij tot de vermindering van parasitaire impedantie.

Een uitstekend voorbeeld van een sterk geïntegreerd component is de LTM4638 step-down µModule-regelaar van Analog Devices. Zoals in afbeelding 3 te zien is, integreert deze 15 ampère (A) schakelende regelaar de schakelende controller, vermogens-FET's, spoel en ondersteunende componenten, allemaal in een kleine verpakking van 6,25 × 6,25 × 5,02 millimeter (mm).

Afbeelding 3: De LTM4638 µModule-regelaar integreert veel van de componenten die nodig zijn voor een buck-converter. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De LTM4638 heeft diverse andere eigenschappen die parasitaire verliezen verminderen. Dit zijn:

• Snelle transiëntrespons: Dit stelt de regelaar in staat om de uitgangsspanning snel aan te passen als reactie op veranderingen in de belasting of ingang, waardoor de duur en de impact van parasitaire verliezen worden geminimaliseerd door een snelle overgang door suboptimale bedrijfstoestanden.
• Ononderbroken werking: Hierdoor daalt de inductorstroom tot nul voordat de volgende schakelcyclus begint. Deze modus wordt meestal gebruikt bij lichte belasting en vermindert de schakel- en kernverliezen in de spoel door deze gedurende een deel van de cyclus spanningsloos te maken.
• Volgen van uitgangsspanning: Hierdoor kan de uitgang van de converter een referentie-ingangsspanning volgen. Door de opwaartse en neerwaartse helling van de uitgangsspanning nauwkeurig te regelen, vermindert deze functie de kans op overshoots of undershoots die parasitaire verliezen kunnen verergeren.

Minimaliseren van parasitaire parameters met componentplaatsing

Het bouwen van een synchrone buck-converter met de LTM4638 vereist het toevoegen van bulk ingangs- en uitgangscondensatoren, respectievelijk C_IN en C_OUT. De plaatsing van deze condensatoren kan een grote invloed hebben op de parasitaire parameters.

Experimenten door Analog Devices met het DC2665A-B-evaluatiebord voor de LTM4638 illustreren de impact van de plaatsing van C_IN.De DC2665B-B heeft deze printplaat inmiddels vervangen, maar dezelfde principes zijn van toepassing. Afbeelding 4 t/m 6 illustreren drie verschillende lay-outs voor C_IN en de bijbehorende hot loops. Verticale hot loops 1 (afbeelding 4) en 2 (afbeelding 5) plaatsen C_IN op de onderste laag, respectievelijk direct onder de regelaar of aan de zijkant. De horizontale hot loop (afbeelding 6) plaatst de condensator op de bovenste laag.

Afbeelding 4: Verticale hot loop 1, onderaanzicht en zijaanzicht. C_IN bevindt zich direct onder de regelaar en is verbonden d.m.v. via's. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 5: Verticale hot loop 2, onderaanzicht en zijaanzicht. C_IN bevindt zich onder maar naast de regelaar en vereist printsporen en via's. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 6: Horizontale hot loop, bovenaanzicht en zijaanzicht. C_IN bevindt zich op de bovenste laag en is via sporen verbonden met de regelaar. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Verticale hot loop 1 vormt het kortste pad en vermijdt het gebruik van printsporen. Deze heeft dus naar verwachting de laagste parasitaire parameters. Analyse van elke hot loop met FastHenry bij 600 kHz en 200 megahertz (MHz) laat zien dat dit het geval is (afbeelding 7).

Afbeelding 7: Zoals verwacht had het kortste pad de laagste parasitaire impedantie. (Bron afbeelding: Analog Devices, gewijzigd door de auteur)

Hoewel deze parasitaire parameters niet direct gemeten kunnen worden, kunnen hun effecten wel voorspeld en getest worden. Zo zou een lagere ESR moeten leiden tot een hogere efficiëntie, terwijl een lagere ESL zou moeten resulteren in een lagere rimpel. Experimentele verificatie hebben deze voorspellingen bevestigd, waarbij verticale hot loop 1 op beide punten beter presteerde (afbeelding 8).

Afbeelding 8: Experimentele resultaten bevestigen een betere efficiëntie en rimpeling van verticale hot loop 1. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Minimaliseren van parasitaire parameters voor afzonderlijke componenten

Hoewel geïntegreerde componenten veel voordelen bieden, vereisen sommige schakelende voedingen afzonderlijke componenten. Een hoogvermogenstoepassing kan bijvoorbeeld de mogelijkheden van geïntegreerde componenten te boven gaan. In dergelijke gevallen kunnen de plaatsing en de grootte van de behuizing van de afzonderlijke vermogens-FET's een aanzienlijke invloed hebben op de ESR's en ESL's van de hot loop. Deze effecten kunnen worden gezien door twee evaluatieborden te testen, beide met hoogefficiënte 4-switch synchrone buck-boost-controllers, zoals geïllustreerd in afbeelding 9:

• Het DC2825A-evaluatiebord is gebaseerd op de LT8390 buck-boost-regelaar. De MOSFET's zijn parallel geplaatst, d.w.z. in dezelfde oriëntatie.
• Het DC2626A-evaluatiebord is gebaseerd op de LT8392 buck-boost-regelaar. Deze heeft twee paar MOSFET's die onder een hoek van 90˚ zijn geplaatst.

Afbeelding 9: De MOSFET's op de DC2825A (links) zijn parallel, terwijl die op de DC2626A (rechts) onder een hoek van 90˚ zijn geplaatst. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De twee borden werden getest met identieke MOSFET's en condensatoren in een 36–12 volt step-downmodus bij 10 A en 300 kilohertz (kHz). De resultaten toonden aan dat de 90˚ plaatsing een lagere spanningsrimpel en een hogere resonantiefrequentie had, wat duidt op een kleinere printplaat-ESL als gevolg van een korter hot loop-pad (afbeelding 10).

Afbeelding 10: De DC2626A, met een MOSFET-lay-out onder een hoek van 90˚, vertoont een lagere rimpel en een hogere resonantiefrequentie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Andere lay-outoverwegingen

Via-plaatsing in de hot loop hebben ook invloed op de ESR en ESL van de loop. Over het algemeen wordt de parasitaire impedantie van de printplaat verlaagd door het toevoegen van meer via's. De reductie is echter niet lineair evenredig met het aantal via's. Via's die dichter bij de aansluitpennen liggen, verlagen de ESR en ESL aanzienlijk. Daarom moeten er meerdere via's worden geplaatst dicht bij de soldeereilandjes van de kritieke componenten (C_IN en de µModule of MOSFET's) om hot loop impedantie te minimaliseren.

Er zijn veel andere manieren om elektrische en thermische prestaties positief te beïnvloeden. Om de hot loop te optimaliseren, zijn de best practices onder andere:

• Gebruik grote koperen oppervlakken op de printplaat voor paden met hoge stromen, waaronder V_IN, V_OUT en aarde om geleidingsverlies en thermische stress op de printplaat te minimaliseren.
• Plaats een speciale voedingsaarde onder de unit.
• Gebruik meerdere via's voor interconnectie tussen de bovenste en andere vermogenslagen om geleidingsverlies te minimaliseren en de thermische stress van de module te verminderen.
• Plaats via's niet rechtstreeks op het pad, tenzij ze afgedekt of gemetalliseerd zijn.
• Gebruik een afgescheiden koperen gebied voor signaalaarde voor componenten die op signaalpennen zijn aangesloten en verbind de signaalaarde met de hoofdaardpen onder de unit.
• Breng testpunten aan op de signaalpennen voor controle.
• Houd het kloksignaal en de frequentie-ingangssporen gescheiden om de kans op ruis door overspraak te minimaliseren.

Conclusie

De parasitaire parameters binnen de hot loop hebben een grote invloed op de prestaties van een schakelende voeding. Het minimaliseren van deze parameters is cruciaal voor het bereiken van een hoge efficiëntie en lage EMI.

Een van de eenvoudigste manieren om deze doelen te bereiken is door gebruik te maken van geïntegreerde regelmodules. Schakelende voedingen vereisen echter meestal het gebruik van bulkcomponenten zoals condensatoren, dus het is essentieel om de implicaties van hot loop lay-outs te begrijpen.