Sådan minimeres parasitter i switching-strømforsyninger

Switch-mode (switching) strømforsyninger er populære på grund af deres effektivitet og fleksibilitet. De skaber også udfordringer, når de anvendes i nye applikationer. Især kan deres højfrekvente omskiftning fremkalde elektromagnetisk interferens (EMI) i resten af systemet. Desuden reducerer de samme faktorer, som kan føre til EMI, effektiviteten og underminerer en af de vigtigste fordele ved switch-mode-strømforsyninger.

For at undgå disse problemer skal designere være særligt forsigtige, når de konfigurerer "hot-loop", den del af strømforsyningskredsløbet, hvor der sker hurtig omskiftning. Minimering af hot-loops parasitiske tab på grund af ækvivalent seriemodstand (ESR), og ækvivalent serieinduktans (ESL) er afgørende. Dette kan opnås ved at vælge højtintegrerede strømforsyningskomponenter og et omhyggeligt printkort-layout.

Denne artikel introducerer hot-loops og kilderne til parasitisk tab, herunder koblingskondensatorer, effekt feldeffekt-transistorer (FET'er) og printkort-vias. Det viser derefter et eksempel på en højtintegreret effektkonverter fra Analog Devices og præsenterer forskellige printkort-layouts og deres virkninger på parasitiske parametre. Den afsluttes med praktiske tips til ESR- og ESL-reduktion.

Grundelementer i switching-strømforsynings hot-loop

Ethvert strømforsyningsdesign, der involverer hurtigt skiftende strømme, såsom boost-, buck-boost- og flyback-konvertere, vil have hot-loop med strømme, der skifter ved høje frekvenser. Dette koncept illustreres gennem en forenklet buck-konverter, også kendt som en step-down konverter (Figur 1). Sløjfen til venstre (rød) indeholder alle koblingselementerne; de højfrekvente strømme, der genereres af kredsløbet, er indeholdt i og danner hot-loop.

Figur 1: En forenklet buck-konverter illustrerer princippet om et hot-loop fremhævet med rødt. (Billedkilde: Analog Devices)

Det "hotte" aspekt kommer fra de betydelige energikonverterings- og koblingsaktiviteter, der finder sted i dette område af kredsløbet, ofte ledsaget af varmeproduktion. Det korrekte layout og design af disse hot-loop er afgørende for at minimere EMI og sikre effektiv strømforsyning drift.

Det mere realistiske kredsløb i figur 2 viser en DC-DC synkron buck-konverter. For dette hot-loop er de fysiske komponenter (mærket med sort) indgangskondensatoren (C_IN) og de omkoblende metal-oxid-halvleder FET'er (MOSFET'er), M1 og M2.

Figur 2: Den virkelige verden, hot-loop uundgåeligt omfatter parasitiske parametre vist med rødt. (Billedkilde: Analog Devices)

Parasitparametrene i hot-loop er markeret med rødt. ESL er typisk i nanohenry (nH) område, mens ESR er i milliohm (mΩ)-område. Højfrekvensomskifteren forårsager ringning inden for ESL'erne, hvilket resulterer i EMI. Den energi, der lagres i ESR'erne, spredes derefter af ESR'erne, hvilket fører til effekttab.

Minimering af parasitiske parametre med integrerede komponenter

Disse parasitære impedanser (ESR'er, ESL'er) forekommer i komponenterne og langs hot-loop printkortbaner. For at minimere disse parametre skal designere omhyggeligt vælge komponenter og optimere printkortlayoutet.

En måde at nå begge mål på er at bruge integrerede komponenter. Disse eliminerer de printkortsbaner, der kræves for at forbinde diskrete komponenter, samtidig med at hot-loop'ens samlede areal reduceres. Begge bidrager til at reducere parasitisk impedans.

Et fremragende eksempel på en meget integreret komponent er LTM4638 step-down-µModule-regulator fra Analog Devices. Som illustreret i figur 3 integrerer denne 15 ampere (A) switch-regulator-styringsenhed, effekt-FET'er, induktor- og støttekomponenter alt sammen i en lille pakke, der måler 6,25 x 6,25 x 5,02 millimeter (mm).

Figur 3: LTM4638-µModule-regulatoren integrerer mange af de komponenter, der er nødvendige for en buck-konverter. (Billedkilde: Analog Devices)

LTM4638 indeholder flere andre funktioner, der reducerer parasittab. Disse inkluderer:

• Hurtig transientrespons: Dette gør det muligt for regulatoren hurtigt at justere udgangsspændingen som reaktion på ændringer i belastning eller input, hvilket minimerer varigheden og virkningen af parasitiske tab ved hurtigt at skifte gennem sub-optimale driftstilstande.
• Diskontinuerlig driftstilstand: Dette gør det muligt for induktorstrømmen at falde til nul, før den næste omskiftningscyklus starter. Denne tilstand anvendes typisk under lette belastningsforhold og reducerer skift- og kernetab i induktoren ved at afkoble den i en del af cyklussen.
• Sporing af udgangsspænding: Dette gør det muligt for konverterens udgang at følge en referenceindgangsspænding. Ved præcist at styre udgangsspændingens op- og nedtrapningen reducerer denne funktion sandsynligheden for over- eller underskridelser, der kan forværre parasitiske tab.

Minimering af parasitiske parametre med komponentplacering

Konstruktion af en synkron buck-konverter med LTM4638 kræver tilføjelse af bulk-indgangs- og udgangskondensatorer, henholdsvis C_IN og C_OUT. Placeringen af disse kondensatorer kan have en betydelig indvirkning på parasitiske parametre.

Analog Devices eksperimenter med DC2665A-B-evalueringskortet til LTM4638 illustrerer virkningen af C_IN positioneringen.DC2665B-B har siden erstattet dette kort, men de samme principper gælder. Figur 4 til 6 illustrerer tre forskellige layout for C_IN og de tilsvarende hot-loop. Lodrette hot-loops 1 (figur 4) og 2 (figur 5) placerer C_IN på det nederste lag hhv. direkte under regulatoren eller til siden. Det vandrette hot-loop (Figur 6) placerer kondensatoren på det øverste lag.

Figur 4: lodret hot-loop 1, set nedefra og fra siden. C_IN er direkte under regulatoren, tilsluttet gennem vias. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 5: lodret hot-loop 2, set nedefra og fra siden. C_IN er under, men ved siden af regulatoren, hvilket kræver printkortbaner og vias. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 6: horisontalt hot-loop, set fra toppen og siden. C_IN er på det øverste lag og forbindes til regulatoren gennem printbaner. (Billedkilde: Analog Devices)

Lodret hot-loop 1 har den korteste vej og undgår at bruge printkortbaner. Det forventes således at have de laveste parasitiske parametre. Analyse af hvert hot-loop med FastHenry ved 600 kHz og 200 megahertz (MHz) afslører, at dette er tilfældet (Figur 7).

Figur 7: Som forventet havde den korteste vej den laveste parasitære impedans. (Billedkilde: Analog Devices, ændret af forfatter)

Selv om disse parasitiske parametre ikke kan måles direkte, kan deres virkninger forudsiges og testes. Mere specifikt bør en lavere ESR føre til højere effektivitet, mens en lavere ESL bør resultere i lavere ripple. Eksperimentel verifikation bekræftede disse forudsigelser, hvor lodret hot-loop 1 viste bedre ydeevne på begge målinger (Figur 8).

Figur 8: Eksperimentelle resultater bekræfter, at lodret hot-loop 1 opnår bedre effektivitet og ripple. (Billedkilde: Analog Devices)

Minimering af parasitiske parametre for diskrete komponenter

Selvom integrerede enheder giver mange fordele, kræver nogle switching-strømforsyninger diskrete komponenter. For eksempel kan et program med høj effekt overstige de integrerede enheders muligheder. I sådanne tilfælde kan placeringen og pakkestørrelsen af de diskrete effekt-FET'er påvirke ESR'er og ESL'er for hot-loop i væsentlig grad. Disse påvirkninger kan ses ved at teste to evalueringsprintkort, der begge har højeffektive 4-switch synkron-buck-boost-controllere, som illustreret i figur 9:

• DC2825A evalueringskortet er baseret på LT8390 buck-boost-regulatoren. Dens MOSFET'er er placeret parallelt, dvs. i samme retning.
• DC2626A evalueringskortet er baseret på LT8392 buck-boost-regulatoren. Det har to par MOSFET'er placeret i 90˚ vinkler.

Figur 9: DC2825A (venstre) placerer sine MOSFET'ere parallelt, mens DC2626A (højre) placerer dem i 90˚ vinkler. (Billedkilde: Analog Devices)

De to kort blev testet med identiske MOSFET'ere og kondensatorer i en 36 til 12 volt nedtrapning ved 10 A og 300 kilohertz (kHz). Resultaterne viste, at 90˚ placeringen havde en lavere spændingsripple og en højere resonansfrekvens, hvilket indikerer et mindre printkort-ESL på grund af en kortere hot-loopvej (Figur 10).

Figur 10: DC2626A, med sin 90˚-MOSFET layout, udviser lavere ripple og højere resonansfrekvens. (Billedkilde: Analog Devices)

Andre overvejelser vedrørende layoutet

Toppen af FormVVia placeringer i hot-loop påvirker også sløjfen ESR og ESL. Generelt reducerer tilføjelsen af flere vias printkortets parasitiske impedans. Reduktionen er dog ikke lineært proportional med antallet af vias. Vias tættere på terminalpadderne reducerer ESR og ESL betydeligt. Derfor bør der placeres flere vias tæt på de kritiske komponenters pads (C_IN og µModule eller MOSFET'er) for at minimere hot-loopimpedans.

Der er mange andre måder at påvirke elektrisk- og termiskydeevne positivt. For at optimere hot-loopfunktionen inkluderer bedste praksis:

• Brug store kobberområder på printkortet til højstrømsveje, herunder V_IN, V_OUT og jord for at minimere printkortets ledningstab og termisk spænding.
• Anbring et dedikeret strømjordingslag under enheden.
• Brug flere vias til sammenkobling mellem top og andre effektlag for at minimere ledningstab og reducere modulets termiske spænding.
• Sæt ikke vias direkte på padden, medmindre de er dækket eller belagt over.
• Brug et separat signalstel, kobberområde til komponenter, der er forbundet til signalbenene, og forbind signalstelforbindelsen til det primære jordingsben under enheden.
• Afsæt testpunkterne på signalbenene til overvågning.
• Hold adskillelsen mellem clock-signalet og frekvensindgangsbaner for at minimere risikoen for støj på grund af krydstale.

Konklusion

De parasitiske parametre i hot-loop påvirker i høj grad ydelsen af en switch-strømforsyning. Minimering af disse parametre er afgørende for at opnå høj effektivitet og lav EMI.

En af de enkleste måder at nå disse mål på er ved at bruge integrerede regulatormoduler. Men switching-strømforsyninger kræver typisk brug af bulkkomponenter som f.eks. kondensatorer, så det er vigtigt at forstå konsekvenserne af hot-loop layout.