Перейти к содержанию

Горячая петля (hot loop) импульсного преобразователя

В понижающем преобразователе есть контур, ток в котором не течёт плавно, а включается и выключается каждый такт. Индуктивность этого контура превращает резкие перепады тока в выбросы напряжения и помехи. TI называет его самым критичным элементом разводки. Разбираем, что это за контур и как его уменьшить.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Горячая петля (hot loop) — контур импульсного преобразователя, ток в котором каждый такт резко появляется и исчезает. В понижающем преобразователе это входной конденсатор, верхний и нижний ключи и земля. Пока открыт верхний ключ, ток дросселя течёт из входного конденсатора, а когда открыт нижний — из земли, минуя конденсатор. Ток в этой петле прямоугольный, с фронтами в наносекунды.

Почему петля «горячая»

Любой контур имеет индуктивность, пропорциональную его площади, и на ней резкий перепад тока даёт выброс напряжения:

U=L⋅didtU = L \cdot \frac{di}{dt}

Петля с индуктивностью 5 нГн при перепаде 3 А за 5 нс даёт 3 В. TI в даташите LMR33630 называет этот контур самым критичным элементом разводки: выбросы нарушают работу преобразователя, усиливают звон на узле переключения и излучаются как помехи. В TPS62130 TI добавляет, что излучаемая энергия пропорциональна площади контура.

Как уменьшить

  1. Конденсатор вплотную. Керамический конденсатор развязки с малой ESL — прямо у выводов VIN и GND микросхемы, на одном слое, без переходных отверстий в контуре.
  2. Симметрия. У LMR33630 в корпусе VQFN две пары VIN/PGND по сторонам — по конденсатору на каждую пару.
  3. Широкие короткие дорожки по всему контуру; TI в записке SLVA959B отмечает, что увеличение ширины снижает паразитную индуктивность.
  4. Земля под петлёй. Сплошной слой земли под контуром: обратный ток идёт прямо под проводником, и площадь петли минимальна.

Остальные контуры

Выходной контур дроссель — выходной конденсатор — нагрузка менее критичен: ток дросселя меняется плавно, по пилообразной форме. Поэтому при разводке сначала размещают входные конденсаторы и ключи, потом дроссель и выход. Подробнее — в статье о развязке и разводке и в разделе понижающих преобразователей.

Частые вопросы

Какой контур в понижающем преобразователе горячий?

Контур входной конденсатор — верхний ключ — нижний ключ (или диод) — земля — обратно к конденсатору. Когда открыт верхний ключ, ток дросселя берётся из входного конденсатора, когда нижний — из земли, и ток в этом контуре каждый такт скачком появляется и пропадает. Ток дросселя и выходной цепи при этом меняется плавно, поэтому выходной контур менее критичен.

Почему маленький керамический конденсатор ставят прямо у выводов VIN и GND?

Он замыкает горячую петлю по кратчайшему пути. Индуктивность контура пропорциональна его площади, и всего несколько наногенри на фронте в наносекунды дают выбросы в вольты. TI для LMR33630 требует ставить входной конденсатор как можно ближе к VIN и GND, а у корпуса с двумя парами выводов питания — по конденсатору с каждой стороны.

Сколько вольт даёт индуктивность горячей петли?

Оценка по закону индукции: U = L · di/dt. Петля с индуктивностью 5 нГн при перепаде тока 3 А за 5 нс даёт выброс 5 нГн · 0,6 А/нс = 3 В. Он складывается с входным напряжением на ключах и излучается как помеха, поэтому каждый миллиметр петли имеет значение.

Источники

  1. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Converter, SNVSAN3F (August 2017, revised November 2020) — разд. 10.1: в понижающем преобразователе самый критичный элемент разводки — контур из входного конденсатора и силовой земли (рис. 10-1); по нему текут большие импульсные токи, которые на индуктивности дорожек создают большие выбросы напряжения и нарушают работу преобразователя; дорожки контура широкие и короткие, площадь минимальная; п. 1 — входной конденсатор как можно ближе к выводам VIN и GND; у корпуса VQFN две пары VIN/PGND по сторонам для симметричной разводки
  2. Texas Instruments. TPS6213x 3-V to 17-V 3-A Step-Down Converter, SLVSAG7F (November 2011, revised November 2021) — разд. 11.1: плохая разводка ухудшает стабилизацию, устойчивость, увеличивает излучение и чувствительность к помехам; контуры с высоким di/dt — с малой индуктивностью и сопротивлением, пути переключаемого тока короткие и широкие; входной и выходной конденсаторы вплотную к выводам; площадь контуров переменного тока минимальна, излучаемая энергия пропорциональна площади
  3. Texas Instruments. Best Practices for Board Layout of Motor Drivers, SLVA959B (November 2018, revised October 2021) — разд. 6.3.2: в схемах с большими переключаемыми токами минимизация индуктивности сильноточного контура критична — она уменьшает пульсации напряжения и помехи и может снизить нужную ёмкость развязки; контур идёт от плюса питания через верхний ключ, обмотку, нижний ключ к минусу; дорожки нужной ширины по всему контуру, больше ширина — меньше индуктивность

Нашли ошибку?

Смотрите также