Перейти к содержанию

Узел переключения (switch node, SW)

В любом понижающем преобразователе и полумосте есть точка, напряжение в которой за наносекунды скачет от земли до входного напряжения. Это узел переключения, вывод SW. От того, как он разведён, зависят выбросы на ключах, помехи и работоспособность обратной связи.

Обновлено Редакция GAW

Узел переключения (switch node, вывод SW, иногда LX) — точка импульсного преобразователя, в которой соединяются ключи и дроссель. В понижающем преобразователе это соединение истока верхнего транзистора, стока нижнего и вывода дросселя. Напряжение на узле прямоугольное: за наносекунды оно переходит от земли к входному напряжению и обратно, а ток через узел — почти весь ток нагрузки.

Звон

TI в записке SLVA959B называет узел переключения самой критичной цепью полумоста. Паразитные индуктивности выводов и дорожек вместе с ёмкостями транзисторов образуют колебательный контур, и каждый фронт возбуждает звон — затухающие колебания с частотой

f=12πLpar⋅Cparf = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_{par} \cdot C_{par}}}

Например, 2 нГн и 1 нФ дают около 110 МГц. Звон излучает помехи и даёт выбросы, которые TI предупреждает: могут превысить допустимые напряжения сток — исток и выводов драйвера.

Лечат прежде всего разводкой: соединение между ключами — короткое и широкое, с минимальной индуктивностью. Дополнительно снижают скорость фронтов (резистор в затворе) или ставят снаббер. Звон питает в первую очередь горячая петля входного конденсатора, поэтому её минимизируют в паре с узлом SW.

Правила разводки

  1. Дорожка от вывода SW до дросселя — короткая и широкая, а общая площадь меди узла — минимальная (LMR33630, п. 9 рекомендаций по разводке).
  2. Бутстрепный конденсатор между BOOT и SW — рядом с микросхемой.
  3. Цепи обратной связи FB и VOS — подальше от SW: TI для TPS62130 и LMR33630 прямо предупреждает о ёмкостной связи.
  4. Под узлом SW — сплошная земля во внутреннем слое, без чувствительных проводников.

Больше о разводке силовых цепей — в статье о развязке и разводке питания.

Частые вопросы

Почему на выводе SW звон, хотя преобразователь работает?

Узел переключения вместе с паразитными индуктивностями дорожек и выводов и ёмкостями транзисторов образует колебательный контур. Каждый фронт возбуждает в нём затухающие колебания. TI в записке SLVA959 называет это switch-node ringing: он создаёт помехи и выбросы, которые могут превысить допустимое напряжение ключей и выводов драйвера, даже если выход стабилизирован.

Почему площадь меди узла SW делают маленькой, если через него идёт весь ток?

Потому что напряжение на этом узле резко меняется, и большая площадь меди работает как антенна и как пластина конденсатора, через которую помеха попадает в соседние цепи. TI для LMR33630 советует делать дорожку от вывода SW до дросселя короткой и широкой, но общую площадь узла — минимальной. Ток выдерживается шириной, а не площадью.

Как правильно измерить напряжение на узле переключения?

С самым коротким заземлением щупа — пружиной или наконечником прямо у земляного вывода микросхемы. Tektronix в руководстве по щупам показывает, что провод земли добавляет индуктивность, и чем он длиннее, тем вероятнее звон на быстрых фронтах — его легко принять за звон в схеме.

Источники

  1. Texas Instruments. Best Practices for Board Layout of Motor Drivers, SLVA959B (November 2018, revised October 2021) — разд. 6.3.1: узел переключения — соединение истока верхнего и стока нижнего MOSFET, идущее к нагрузке; самая критичная цепь полумоста из-за высокочастотного сильноточного сигнала; паразитные индуктивности стока, истока и ёмкости транзисторов (рис. 6-9) вызывают звон — LC-колебания на узле; звон создаёт помехи, выбросы выше и ниже допустимых напряжений сток — исток и выводов драйвера, снижает КПД; меры — снижение скорости фронтов, снабберы и прежде всего разводка с минимальной индуктивностью между истоком верхнего и стоком нижнего ключа: короткое и широкое соединение, корпуса с малой паразитной индуктивностью
  2. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Converter, SNVSAN3F (August 2017, revised November 2020) — назначение выводов: SW — узел переключения, подключается к дросселю; разд. 10.1: п. 3 — конденсатор CBOOT между BOOT и SW рядом с микросхемой широкими дорожками; п. 4 — цепь обратной связи не прокладывать рядом с источниками помех, например узлом SW, который может ёмкостно связаться с ней; п. 9 — медь узла SW от вывода до дросселя короткая и широкая, а общая площадь узла минимальна для снижения излучаемых помех
  3. Texas Instruments. TPS6213x 3-V to 17-V 3-A Step-Down Converter, SLVSAG7F (November 2011, revised November 2021) — разд. 11.1: цепи с высоким dv/dt должны иметь малую ёмкость относительно других узлов; чувствительные узлы FB и VOS подключать короткими проводниками вдали от сигналов с высоким dv/dt, например SW; площадь контуров переменного тока минимальна — излучаемая энергия пропорциональна площади
  4. Tektronix. ABCs of Probes, Primer, 60W-6053-15 — рис. 1.9: провод земли щупа добавляет в цепь индуктивность, чем он длиннее, тем больше индуктивность и вероятность увидеть звон на быстрых фронтах; рис. 1.13: удлинение провода земли вызывает звон на импульсах; провода земли держат как можно короче и прямее

Нашли ошибку?

Смотрите также