Když jsou země odděleny

autor článku: Frederik Dostal, Analog Devices

Otázka: Kam připojím země spínacího regulátoru?

FAQ 159 1

 

Odpověď:

Jak postupovat při návrhu spínacího regulátoru pokud jde o analogovou zem (AGND) a výkonovou zem (PGND)? To je otázka, kterou si klade mnoho vývojářů při návrhu spínaných napájecích zdrojů. Někteří vývojáři jsou zvyklí řešit otázky spojené s digitální zemí a se zemí analogovou, avšak když dojde na výkonovou zem, často si neví rady. Konstruktéři pak často okopírují návrh plošných spojů vybraného spínacího regulátoru a přestanou se danou otázkou dále zabývat.

PGND je zemní spoj, který je protékaný většími pulzujícími proudy. V závislosti na topologii spínacího regulátoru to znamená proudy spínacím tranzistorem, nebo pulzující proudy výkonového budicího stupně. Týká se to zejména například spínacích kontrolérů s vnějšími výkonovými spínači.

AGND, někdy nazývaná signálová zem (SGND), je zemní spoj, který využívají další, obvykle velmi klidné signály jako vztažnou zem. K takovým signálům patří vnitřní napěťová reference, která je potřebná k regulaci výstupního napětí. Signály pro měkký start a „enable“ jsou rovněž vztaženy ke spoji AGND.

Existují dvě různé technické filozofie, a tudíž také dva různé názory mezi odborníky pokud jde o způsob, s jakým se s těmito dvěma zeměmi má naložit. Podle jedné z nich by země AGND a PGND spínacího regulátoru měly být vzájemně spojeny hned v místě příslušných kolíků IO. Tento způsob udržuje napěťový ofset mezi těmito vývody relativně malý a spínací regulátor je tak chráněn proti rušení nebo i jeho zničení. Všechny zemní spoje obvodu a případně i zemní plocha jsou spojeny do tohoto jediného společného bodu ve hvězdicové topologii. Obr. 1 ukazuje příklad realizující tuto filozofii. Je zde vidět návrh plošného spoje pro LTM4600, což je mikro-modul 10 A se sestupným převodem. Samostatné zemní plochy jsou vzájemně propojeny přímo na DPS (v modrém oválu na obr. 1). Vlivem parazitní indukčnosti kontaktovacích spojů mezi čipem a pouzdrem, stejně jako indukčnosti příslušných vývodů již určitá míra oddělení AGND a PGND existuje, a následkem toho dochází k jistému malému rušení mezi obvody na křemíku.

 

 FAQ 159 2

Obr. 1 Místní propojení PGND a AGND přímo u pájených spojů.

Jiná filozofie předpokládá oddělení AGND a PGND na DPS na dvou samostatných zemnících plochách, které jsou vzájemně spojeny do jednoho bodu. Díky tomuto spojení zůstávají rušivé signály (napěťový offset) převážně v oblasti PGND, přičemž oblast AGND je klidná, velmi dobře oddělena od PGND. Nevýhodou tohoto přístupu ovšem je, že v závislosti na přechodových dějích při pulzních proudech a na velikosti proudů samotných může docházet ke vzniku napěťového offsetu mezi PGND a AGND na příslušných vývodech IO. To může vést k nedokonalé funkci, nebo i poškození IO spínacího regulátoru. Obr. 2 ukazuje realizaci této filozofie. Je převzatý ze zapojení ADP2386, což je sestupný spínací regulátor 6 A.

.

FAQ 162 3

Obr. 2 Oddělené země AGND a PGND propojené pod ploškou GND prokovy

Otázka zemnění se transformuje na kompromis mezi silným oddělením s výhodou oddělení šumu a rušení a rizikem vzniku napěťových offsetů mezi oběma zeměmi, které mohou způsobit poškození „křemíku“ a omezení funkčnosti. Správné rozhodnutí s ohledem na tento kompromis je značně závislé na konstrukci IO, včetně spínacích rychlostí, výkonových úrovní, parazitních indukčností kontaktovacích spojů čipu, typu pouzdra IO a rizika vzniku „latch-up“ efektu každé z konstrukcí IO závislého na použitých polovodičových technologiích.

Závěr
Odpověď na otázku jak naložit se zeměmi AGND a PGND není jednoduchá. To je důvodem proč tato diskuse pokračuje. Na začátku jsem uvedl, že mnoho uživatelů spínacích regulátorů přejímá návrh plošných spojů a zapojení zemnění z doporučeného zapojení výrobce IO. Tento postup je užitečný, jelikož obvykle lze předpokládat, že výrobce rovněž vyzkoušel příslušné IO v tomto uspořádání. Na příkladech uvedených na obr. 1 a 2 je vidět, že rozložení vývodů těchto IO je vhodné pro místní propojení zemí v blízkosti PGND a AGND nebo oddělené zemnění.

Výrobce IO samozřejmě může udělat chyby při návrhu příkladů zapojení. Proto je dobré znát další informace o těchto základních filozofiích.