Zásady pro umístění indukčnosti na DPS spínaného zdroje

autor článku: Frederik Dostal, Analog Devices

Otázka: Kam přijde cívka?

FAQ 164 1

 

Odpověď:

Spínané regulátory pro převod napětí využívají indukčností pro dočasné uložení energie. Tyto indukčnosti jsou často velmi rozměrné součástky a musí být umístěny v rámci návrhu plošných spojů spínaného regulátoru. Taková úloha nebývá obvykle příliš obtížná, a přestože se proud indukčností mění, nejedná se o změny okamžité, spíše o déle trvající a obvykle poměrně pomalé.

Spínané regulátory přepínají tok proudu střídavě mezi dvěma různými cestami. Toto přepínání probíhá velmi rychle a jeho rychlost závisí na délce trvání spínacích hran. Ve výsledku spoje protékané proudem v jednom z přepínacích stavů, a které nejsou naopak protékané ve stavu druhém se nazývají „horkými smyčkami“, nebo cestami střídavého proudu. Tyto smyčky by v návrhu plošného spoje měly být co nejmenší a nejkratší tak, aby jejich parazitní indukčnosti byly minimální. Parazitní indukčnosti spojů vytvářejí nežádoucí napěťový ofset a způsobují elektromagnetické rušení.

 

 

 Spínaný regulátor pro sestupný převod s kritickou horkou smyčkou znázorněnou čárkovanou čarou

Obr. 1  Spínaný regulátor pro sestupný převod s kritickou horkou smyčkou znázorněnou čárkovanou čarou.

Na obr. 1 je vidět spínaný regulátor se sestupným převodem, v němž je kritická horká smyčka vyznačena čárkovanou čarou. Je zřejmé, že cívka L1 součástí této horké smyčky není. Z tohoto důvodu lze usuzovat, že umístění cívky není kritické. Správné je uložit indukčnost vně horké smyčky a z tohoto hlediska je v prvním přiblížení její umístění druhotné. Přesto, několik pravidel by mělo být dodrženo.

Žádné citlivé řídicí spoje by neměly být vedeny v prostoru pod indukčností na povrchu DPS, ani v jejích vnitřních vrstvách, ani na opačné straně. Průtokem proudu cívka vytváří ve svém okolí magnetické pole, které může ovlivnit slabé signály v jejich cestě. U spínaného regulátoru je jednou z nekritičtějších signálových cest zpětnovazební spoj, který vede od výstupu regulátoru k jeho řídicímu IO nebo k děliči napětí.

.

Příklad obvodu se sestupným převodníkem ADP2360 s umístěním cív

Obr. 2  Příklad obvodu se sestupným převodníkem ADP2360 s umístěním cívky

Také je třeba vzít v úvahu, že skutečná cívka má vedle induktivního účinku také účinek kapacitní. Počáteční závity cívky jsou připojeny přímo ke spínacímu uzlu sestupného spínaného regulátoru, jak je vidět na obr. 1. Následkem toho jsou jejich napěťové změny stejně intenzivní a stejně rychlé jako na samotném spínacím uzlu. Při velmi krátkých spínacích časech a vysokých hodnotách vstupního napětí v obvodu dochází ke vzniku značných vazeb s ostatními spoji na DPS. Proto také z tohoto důvodu musí být citlivé spoje vedeny co nejdále od plochy, na níž je cívka umístěna.

Obr. 2 ukazuje návrh plošného spoje s obvodem ADP2360. Zde je ona důležitá horká smyčka z obr. 1 vyznačena zeleně. Je vidět, že oranžový spoj zpětné vazby je vzdálen od cívky L1. Je veden ve vnitřní vrstvě PCB.

Někteří konstruktéři jdou dokonce i tak daleko, že v prostoru pod cívkou vůbec žádné vrstvy mědi nechtějí. Vytvářejí například vynechání mědi pod cívkou i v samotné zemnící ploše. Cílem je zamezit vzniku vířivých proudů v zemnící ploše pod cívkou způsobených jejím magnetickým polem. Tento přístup není špatný, ale existují argumenty ve prospěch zachování velké nepřerušené zemnící plochy:

  • Z hlediska stínění funguje zemnící plocha nejlépe, pokud je nepřerušená.
  • Čím více mědi deska obsahuje, tím lepší je odvod ztrátového tepla.
  • I když ke vzniku vířivých proudů dojde, tyto protékají lokálně a způsobují pouze malé ztráty a stěží mohou ovlivnit funkci zemnící plochy.

Proto, já jsem zastáncem řešení s velkou zemnící plochou i v prostoru pod cívkou.

Závěrem můžeme shrnout, že indukčnost spínaného regulátoru není součástí kritické horké smyčky, ale řídicí spoje je vhodné vést tak, aby neprocházely prostorem pod cívkou, ani v její blízkosti. Různé plochy mědi na DPS, například zemnící, ale také plocha VDD (napájecí napětí), mohou být ponechány jako nepřerušené, bez jakýchkoli výřezů.