Hvordan minimere parasitter i ikke-lineær strømforsyninger (switching power supplies)

Ikke-lineære strømforsyninger (switch mode/switching power supplies) er populære for sin virkningsgrad og fleksibilitet. De byr også på utfordringer når de utvider rekkevidden til nye utrustninger. Mest bemerkelsesverdig kan deres høyfrekvente veksling indusere elektromagnetisk interferens (EMI) i resten av systemet. Dessuten reduserer de samme faktorene som kan føre til EMI også virkningsgraden, og undergraver en av de viktigste fordelene ved å ikke-lineære strømforsyninger (switching power supplies).

For å unngå disse problemene, må designere være spesielt forsiktige når de konfigurerer "vekslende delen” (hot loop), den delen av strømforsyningskretsen hvor rask veksling skjer. Det er viktig å minimere den vekslende delens parasittiske tap på grunn av ekvivalent seriemotstand (ESR) og ekvivalent serieinduktans (ESL). Dette kan oppnås ved å velge høyintegrerte strømforsyningskomponenter og en omhyggelig layout av kretskortet.

Denne artikkelen tar for seg vekslende deler og kilder til krypestrømstap/parasittiske tap, inkludert koblingskondensatorer, effekt-FET-er (effekt-felteffekttransistorer) og kretskortets gjennomgangsbaner. Deretter viser vi et eksempel på en høyintegrerte energiomformere fra Analog Devices og presenterer ulike kretskortlayouter og deres innvirkning på parasittparametrene. Den avsluttes med praktiske tips for reduksjon av ESR og ESL.

Grunnleggende om vekslende deler i ikke-lineære strømforsyninger (switching power supply)

Alle strømforsyningskonstruksjoner som innebærer raskt vekslende strømmer, for eksempel omformer av typene boost (hever spenningen), buck-boost (senker/hever spenningen) og flyback-omformere (tilbakekobling), vil ha vekslende deler med strømmer som veksler ved høye frekvenser. Dette konseptet illustreres ved hjelp av en forenklet buck-omformer, også kjent som en step-down-omformer (senke spenningen) (figur 1). Sløyfen til venstre (rød) inneholder alle vekslingselementene; de høyfrekvente strømmene som genereres av kretsen, befinner seg innenfor og danner den vekslende delen.

Figur 1: En forenklet buck-omformer illustrerer prinsippet for vekslende del, markert med rødt. (Bildekilde: Analog Devices)

Det intense aspektet ("hot"-aspektet) kommer av den betydelige energikonverterings- og vekslingsaktiviteten som foregår i dette området av kretsen, og som ofte er ledsaget av varmeutvikling. Riktig utforming og design av disse vekslende delene er avgjørende for å minimere EMI og sikre virkningsfull drift av strømforsyningen.

Den mer realistiske kretsen i figur 2 viser en synkron DC-DC-buck-omformer. I denne vekslende delen er de fysiske komponentene (merket i svart) inngangskondensatoren (C_IN) og de vekslende MOSFET-ene, M1 og M2.

Figur 2: Virkelige vekslende deler inkluderer uunngåelig parasittiske parametere, vist i rødt. (Bildekilde: Analog Devices)

De parasittiske parametrene i den varme sløyfen er merket med rødt. ESL ligger vanligvis i nanohenryområdet (nH), mens ESR ligger i milliohmområdet (mΩ). Den høyfrekvente koblingen forårsaker ringing i ESL-ene, noe som resulterer i EMI. Energien som er lagret i ESL-ene, forsvinner deretter i ESR-ene, noe som fører til effekttap.

Minimering av parasittparametere med integrerte komponenter

Disse parasittimpedansene (ESR, ESL) oppstår i komponentene og langs kretskortets veier til de vekslende delene. For å minimere disse parametrene må designerne velge komponenter med omhu og optimalisere kretskortlayouten.

En måte å oppnå begge målene på er å bruke integrerte komponenter. Disse eliminerer veiene kretskortsporene krever for å koble til diskrete komponenter, samtidig som de reduserer den vekslende delens totale areal. Begge deler bidrar til å redusere parasittisk impedans.

‘Et utmerket eksempel på en høyintegrert komponent er nedtrappingsregulatoren LTM4638 µModule fra Analog Devices. Som illustrert i figur 3, integrerer denne 15 ampere (A)-bryterregulatoren bryterkontroller, effekt-FET-er, induktor og støttekomponenter i en liten kapsling som måler 6,25 × 6,25 × 5,02 mm.

Figur 3: LTM4638 µModule-regulatoren integrerer mange av komponentene som trengs for en buck-omformer. (Bildekilde: Analog Devices)

LTM4638 har flere andre funksjoner som reduserer parasittiske tap. Disse omfatter:

• Rask transientrespons: Dette gjør at regulatoren raskt kan justere utgangsspenningen som respons på endringer i belastningen eller inngangen, noe som minimerer varigheten og effekten av parasittiske tap ved raskt å gå gjennom suboptimale driftstilstander.
• Diskontinuerlig driftsmodus: Dette gjør at induktorstrømmen faller til null før neste vekslingssyklus starter. Denne modusen, som vanligvis brukes ved lav belastning, reduserer vekslings- og kjernetapene i induktoren ved å gjøre den spenningsløs i en del av syklusen.
• Sporing av utgangsspenning: Gjør det mulig for omformerens utgang å følge en referanseinngangsspenning. Ved å styre opp- og nedrampingen av utgangsspenningen nøyaktig, reduserer denne funksjonen sannsynligheten for over- eller underspenninger som kan forverre parasittiske tap.

Minimering av parasittiske parametere med komponentplassering

For å konstruere en synkron buck-omformer med LTM4638 må du legge til inngangs- og utgangskondensatorer, henholdsvis C_IN og C_OUT. Plasseringen av disse kondensatorene kan ha stor innvirkning på parasittparametrene.

Analog Devices sine eksperimenter med evalueringskortet DC2665A-B for LTM4638 illustrerer effekten av C_IN-posisjonering.DC2665B-B har siden erstattet dette kortet, men de samme prinsippene gjelder. Figur 4 til 6 illustrerer tre ulike oppsett for C_IN og tilhørende vekslende deler. Vertikale vekslende deler 1 (Figur 4) og 2 (Figur 5) plasserer C_IN på det nederste laget, henholdsvis rett under regulatoren eller på siden. Den horisontale vekslende delen (figur 6) plasserer kondensatoren på det øverste laget.

Figur 4: Vertikal vekslende del 1 sett fra bunnen og fra siden. C_I befinner seg rett under regulatoren, koblet til via gjennomgangsbane. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 5: Vertikal vekslende del 2 sett fra bunnen og fra siden. C_I er under, men ved siden av regulatoren. Den krever kretskortbaner og gjennomgangsbaner. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 6: horisontal vekslende del fra toppen og fra siden. _CIN ligger på det øverste laget, og er koblet til regulatoren via baner. (Bildekilde: Analog Devices)

Vertikal vekslende del 1 har den korteste veien og unngår å bruke kretskortbaner. Dermed forventes den å ha de laveste parasittparametrene. En analyse av hver vekslende del med FastHenry ved 600 kHz og 200 megahertz (MHz) viser at dette er tilfelle (figur 7).

Figur 7: Som forventet hadde den korteste banen den laveste parasittimpedansen. (Bildekilde: Analog Devices, endret av forfatter)

Selv om disse parasittparametrene ikke kan måles direkte, kan effekten av dem forutsies og testes. Nærmere bestemt bør en lavere ESR føre til høyere virkningsgrad, mens en lavere ESL bør resultere i lavere rippel. Eksperimentell verifisering bekreftet disse forutsigelsene, og vertikal vekslende del 1 viste bedre resultater på begge parameterne (figur 8).

Figur 8: Eksperimentelle resultater bekrefter at vertikal vekslende del 1 oppnår bedre virkningsgrad og rippel. (Bildekilde: Analog Devices)

Minimering av parasittparametere for frittstående (diskret) komponenter

Selv om integrerte enheter har mange fordeler, krever noen ikke-lineær strømforsyninger (switching power supplies) frittstående (diskrete) komponenter. For eksempel kan en utrustning med høy effekt overskride kapasiteten til integrerte enheter. I slike tilfeller kan plasseringen og kapslingsstørrelsen til de frittstående (diskrete) strøm-FET-ene ha betydelig innvirkning på ESR-er og ESL-er i vekslende deler. Disse effektene kan illustreres ved å teste to evalueringskort, begge med høyvirksomme, synkrone buck-boost-regulatorer med 4 vekslere, som vist i figur 9:

• Evalueringskortet DC2825A er basert på buck-boost-regulatoren LT8390 . MOSFET-ene er plassert parallelt, dvs. i samme retning/orientering.
• Evalueringskortet DC2626A er basert på buck-boost-regulatoren LT8392 . Den har to par MOSFET-er plassert i 90˚ vinkel.

Figur 9: DC2825A (til venstre) plasserer MOSFET-ene parallelt, mens DC2626A (til høyre) plasserer dem i 90˚ vinkler. (Bildekilde: Analog Devices)

De to kortene ble testet med identiske MOSFET-er og kondensatorer i en nedtrappingsdrift fra 36 til 12 volt ved 10 A og 300 kilohertz (kHz). Resultatene viste at plasseringen på 90˚ hadde lavere spenningsrippel og høyere resonansfrekvens, noe som indikerer mindre ESL på kretskortet på grunn av en kortere vei i vekslende del (figur 10).

Figur 10: DC2626A, med 90˚ MOSFET-layout, har lavere rippel og høyere resonansfrekvens. (Bildekilde: Analog Devices)

Andre layouthensyn

Gjennomgangsbaner i kretskortet øverste lag i den vekslende delen påvirker også sløyfens ESR og ESL. Generelt reduseres kretskortets parasittimpedans ved å legge til flere gjennomgangsbaner. Reduksjonen er imidlertid ikke lineært proporsjonal med antall gjennomgangsbaner. Gjennomgangsbaner nærmere polene reduserer ESR og ESL betydelig. Derfor bør det plasseres flere gjennomgangsbaner i nærheten av kontaktene til de kritiske komponentene (_CIN og µModule eller MOSFET-er) for å minimere impedansen i den vekslende delen.

Det finnes mange andre måter å påvirke den elektriske og termiske ytelsen positivt på. For å optimalisere den vekslende delen er beste praksis blant annet:

• Bruk store kobberflater på kretskortet for strømbaner for høye strømmer, inkludert_VIN,_VOUT og jord, for å minimere ledningstap og termisk belastning på kretskortet.
• Plasser et eget jordingslag under enheten.
• Bruk flere gjennomgangsbaner for sammenkobling mellom det øverste og de andre strømlagene for å minimere ledningstap og redusere modulens termiske belastning.
• Ikke legg gjennomgangsbaner direkte på elektroden med mindre de er dekket eller plettert over.
• Bruk et separat kobberområde for signaljording for komponenter som er koblet til signalpinnene, og koble signaljordingen til hovedjordingspinnen under enheten.
• Ta ut testpunkter på signalpinnene for overvåking.
• Hold avstand mellom banene for inngang for klokkesignal og frekvens for å minimere muligheten for støy på grunn av krysstale.

Konklusjon

De parasittiske parametrene i den vekslende delen har stor innvirkning på ytelsen til en ikke-lineær strømforsyning (switching power supply). Minimering av disse parametrene er avgjørende for å oppnå høy virkningsgrad og lav EMI.

En av de enkleste måtene å nå disse målene på er å bruke integrerte regulatormoduler. Ikke-lineær strømforsyninger (switching power supplies) krever imidlertid vanligvis bruk av massekomponenter som kondensatorer, så det er viktig å forstå konsekvensene av layout av den vekslende delen.