Почему всегда нужно следовать рекомендациям по компоновке при разработке импульсного источника питания

Даже если схема включает в себя все необходимые соединения, а список компонентов содержит точно рассчитанные для данного применения элементы, многие проекты блоков питания обречены на провал из-за плохой компоновки
2629
В избранное

Если вы откроете технический паспорт или руководство по проектированию для любого импульсного источника питания, то увидите там следующий текст: «Cледуйте данным рекомендациям по компоновке, ИНАЧЕ...» Даже если схема включает в себя все необходимые соединения, а список компонентов содержит точно рассчитанные для данного применения элементы, многие проекты блоков питания обречены на провал из-за плохой компоновки. При устранении неполадок в проекте, который «должен работать», большинство проблем можно отследить, если обратиться к рекомендациям по компоновке, приведенным в техническом паспорте и руководстве по проектированию.

Вот некоторые рекомендации для простого понижающего преобразователя:

  • Разместите входной конденсатор как можно ближе ко входу микросхемы. При включении полевого транзистора входные конденсаторы обеспечивают высокий di/dt-импульс тока. Размещение входных конденсаторов рядом с микросхемой сводит к минимуму величину паразитной индуктивности между входными конденсаторами и верхним ключом. Это приводит к меньшему падению напряжения на паразитной индуктивности (то есть V = Ldi/dt).
  • Дорожки для больших токов следует делать как можно более короткими и широкими. Это уменьшит их индуктивность и сопротивление, что может значительно повысить эффективность разработки.
  • Минимизируйте площадь контура, образованного катушками индуктивности, выходными и входными конденсаторами. Это поможет создать короткие и широкие пути для высокого тока, а также уменьшит излучаемые электромагнитные помехи (EMI), которые могут воздействовать на соседние компоненты, включая компоненты обратной связи и компенсационные компоненты для источника питания.
  • Располагайте высокоскоростные коммутационные узлы как можно дальше от чувствительных аналоговых областей. Если возможно, располагайте резисторы обратной связи, компенсационную сеть и конденсатор плавного пуска (если они используются) как можно дальше от высокоточных контуров и как можно ближе к интегральной схеме (ИС).
  • Располагайте участки земли непосредственно под всеми силовыми компонентами и трассами, несущими сигналы переключения высокой мощности, это уменьшит величину паразитной индуктивности. Верхний и второй слои идеально подходят для размещения слоев GND, они возьмут на себя функцию экрана для защиты сигналов на других слоях от сигналов переключения мощности.
  • Если на плате есть теплоотвод - используйте несколько переходных отверстий, чтобы подключить его к слою GND. Использование как можно большего количества переходных отверстий увеличит как теплопроводность, так и электропроводность между теплоотводом и слоем GND, что сохранит стабильную низкую температуру схемы и повысит ее эффективность.

Одно дело знать эти рекомендации, а другое - полностью им следовать. Инженеры могут продемонстрировать последствия плохой схемы питания своим руководителям. Чтобы испытать последствия нарушения каждого из предыдущих правил, мы намеренно создали платы, которые не подчинялись данным рекомендациям, и охарактеризовали каждую из них.

Быстрая и надежная конструкция блока питания

В начале проекта мы перечислим характеристики понижающего преобразователя общего назначения:

  • входное напряжение +12 В (+/-2%);
  • выходное напряжение +3,3 В;
  • максимум перерегулирования при переходном процессе 0,1 В;
  • максимальный выходной ток 5 A;
  • баланс КПД преобразователя и его размера.

Так как целью данного проекта было изучение эффектов, возникающих при различных компоновках платы, нам нужно было создать хорошо спроектированную схему с правильно рассчитаными характеристиками компонентов, список всех компонентов и схему для моделирования, чтобы сравнить достигнутую производительность с ожидаемыми значениями. Чтобы как можно быстрее создать новую схему со всеми вышеперечисленными возможностями, мы использовали инструмент проектирования Maxim EE-Sim. Мы ввели характеристики ввода/вывода и сгенерировали конечную модель с помощью списка компонентов. После ввода данных в программу CAD мы получили схему, основанную на понижающем преобразователе MAX17506 (рис. 1).

Схема понижающего преобразователя +3,3 В, 16,5 Вт

Рис. 1. Схема понижающего преобразователя +3,3 В, 16,5 Вт

Чтобы исследовать различные аспекты компоновки, мы создали одну «оптимальную» плату для сравнения с результатами моделирования. Также она послужила контрольной платой для пяти различных вариантов плат, каждая из которых не подчинялась одному из правил, перечисленных выше.

Плата #1 – оптимальная компоновка

Оптимальная схема платы показана на рисунке 2: верхний слой красного цвета, второй слой оранжевого цвета, третий слой зеленого цвета, а нижний - синего. Обратите внимание:

  • входные конденсаторы (C101, C102) находятся рядом с входными контактами;
  • входная дорожка, выходная дорожка и узел LX расположены на верхнем слое для минимизации импеданса;
  • входные конденсаторы (C101, C102), выходные конденсаторы (C108, C109, C110) и катушка индуктивности (L101) расположены рядом друг с другом, чтобы минимизировать размер проводящего контура;
  • компоненты обратной связи (R103, R104, C112), резистор для регулировки частоты (R105) и конденсатор плавного пуска (C107) размещены ниже управляющей ИС, как можно дальше от дорожек с большим током, размещенных выше ИС;
  • слои GND расположены друг за другом и их намного больше, чем необходимо. Это сделано для улучшения проводимости больших токов;
  • теплоотвод соединен с внутренними слоями GND через девять проходных отверстий.

Оптимальная схема платы понижающего преобразователя MAX17506

Рис. 2. Оптимальная схема платы понижающего преобразователя MAX17506

Мы сравнили оптимальную компоновку платы с результатами моделирования, плата была протестирована на эффективность, пульсацию выходного напряжения, были изучены характеристики переходных процессов и форма сигнала переключения. Эти результаты сравнивались с исходными результатами моделирования EE-Sim для оценки качества разработки платы.

Эффективность: модель против оптимальной платы

Известным показателем для оценки преобразователя мощности является то, как он реагирует на изменение тока нагрузки при переходном процессе. Форма данных сигналов также используется для косвенной оценки стабильности преобразователя, так как для оценки устойчивости контура требуется не всегда доступное специализированное оборудование. В параметрах нашего проекта мы указали величину максимального выброса/спада 0,1 В. На рисунке 3 а) показан смоделированный переходный процесс, а на рисунке 3 б) - полученный отклик системы.

Смоделированный переходный процесс (а) и полученный отклик системы (б)

Рис. 3. Смоделированный переходный процесс (а) и полученный отклик системы (б) 

При моделировании возрастание тока нагрузки от 2,5 А до 5 А вызывало падение напряжения на 70 мВ, которое восстановилось в течение 190 мкс, а уровень отклика упал на 80 мВ и восстановился в течение 180 мс. Когда нагрузка снизилась с 5 А до 2,5 А, моделирование показало выброс напряжения величиной 70 мВ, напряжение восстановилось в течение 180 мс, а уровень отклика вырос на 80 мВ, он восстановился в течение 180 мс. Практически полное совпадение заданных характеристик и данных, полученных при моделировании, говорит о верности принципов проектирования нашей первой платы.

Пульсация выходного напряжения: сравнение модели и оптимальной платы

Пульсация выходного напряжения преобразователя зависит от многих факторов, включая эквивалентное последовательное сопротивление выходного конденсатора (ESR), расположение цепи обратной связи, ток нагрузки и так далее. Так как в нашей конструкции мы указали величину максимального выброса/спада 0,1 В, то ожидается, что пульсация напряжения для тока статической нагрузки будет намного меньше. На рисунке 4 показаны данные пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 2,5 А на смоделированной плате, а также данные измерения пульсации выходного напряжения на нашей оптимальной макетной плате.

Данные модели (а) и данные измерения (б) пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 2,5 А

Рис. 4. Данные модели (а) и данные измерения (б) пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 2,5 А

Амплитуда пульсации выходного напряжения модели составила 5,2 мВ, а амплитуда пульсации выходного напряжения на оптимальной макетной плате была ближе к 10 мВ. Даже с учетом минимизации размера измерительного контура между выходом платы, осциллографом и землей в сигнале все еще присутствуют некоторые ожидаемые нами помехи, возникающие при переключении. Они связаны с формой сигнала выходного напряжения, на которую влияет эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора.

Форма сигнала переключения: сравнение модели и оптимальной платы

В проекте мы настроили MAX17506 для фиксированной частоты 313 кГц в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для тока статической нагрузки сигнал переключения должен выглядеть как меандр, переключающийся между GND и +12 В с почти постоянным рабочим циклом. На рисунке 5 показаны формы сигналов переключения, полученные при моделировании и исследовании оптимальной платы.

Сигнал переключения, полученный при моделировании (а) и при исследовании оптимальной платы (б)

Рис. 5. Сигнал переключения, полученный при моделировании (а) и при исследовании оптимальной платы (б)

При частоте 313 кГц ожидаемый период переключения составлял 3,2 с. Для 2,5 A сигнал переключения при моделировании имел период 3,4 с и время включения 1,1 с, а измеренный сигнал переключения оптимальной платы имел период 3,1 с и время включения 0,9 с.

Заключение

После исследования эффективности, пульсации выходного напряжения, характеристики переходных процессов нагрузки и формы сигнала переключения в нашей «оптимальной плате» и сравнения этих данных с результатами моделирования в EE-Sim, мы определили базовую лабораторную модель, которая послужит основой для дальнейшего исследования.

Журнал: www.ednasia.com
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX17506ATP+
MAX17506ATP+
Maxim Integrated
Арт.: 1895037 PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 5A 60V Synhcronous Buck Regulator
MAX17506ATP+
-
Поиск
предложений
MAX17506ATP+T
Maxim Integrated
Арт.: 1897325 PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators SYNCHRONOUS STEP DWN DC/DC CONVERTER
MAX17506ATP+T
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()