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Aprenda las mejores prácticas de diseño para sus circuitos convertidores reductores CC-CC.

Al implementar convertidores reductores CC-CC, el diseño del circuito es tan importante como el diseño. Un gran diseño puede ser severamente degradado por un mal diseño.

Este artículo repasará algunas de las mejores prácticas de diseño.

Objetivos de buen diseño de circuito

Aquí hay algunos objetivos de buen diseño para tener en cuenta.

• Control del ruido radiado e inducido.
• Interferencia reducida entre las diferentes partes del circuito.
• Área reducida del circuito
• Gestión térmica eficaz
• Mejora la regulación de voltaje y la eficiencia del circuito.
• Evitar el uso de circuitos adicionales de "curita" como amortiguadores
• Estabilidad mejorada

Nota: No utilice el enrutamiento automático para estas rutas críticas: enrute y diseñe a mano.

Bucles de corriente en circuitos convertidores de potencia

Los circuitos del convertidor de potencia generan grandes corrientes que, en diferentes fases, circulan en dos bucles principales: apagado y encendido, según el estado del interruptor MOSFET (consulte la Figura 1).

Figura 1 (a): Bucle de corriente de estado; 1 (b) Bucle fuera de estado. Click para agrandar.

La geometría 3D de estos bucles es importante. La corriente que se ejecuta en un bucle físico, según la ley de Ampere, formará un campo magnético en proporción a la corriente y el área del bucle. Este campo puede luego acoplarse con otros circuitos de circuito, según la ley de Faraday, con más acoplamiento a frecuencias más altas, lo que resulta en interferencias dañinas.

Por lo tanto, la mentalidad general debe ser minimizar el área encerrada de estos bucles. Una forma sencilla de hacer esto es hacer que la ruta de retorno sea lo más colineal posible a la ruta de salida.

Imagine una antena de bucle aplastada hasta una línea vertical; dejará de ser una antena. Es por esto que giramos los cables juntos para eliminar el ruido acoplado.

Senderos de retorno

Tenga en cuenta que una corriente de retorno, si se le da un plano de tierra infinito, tenderá naturalmente a concentrarse directamente debajo de la corriente de salida (consulte la Figura 2). Debemos tomar este indicio de la naturaleza y proporcionar el camino de retorno natural; De lo contrario, un bucle será introducido e irradiado.

El resultado deseado para la placa será saliente y las corrientes de retorno se ejecutarán en rutas conocidas y ordenadas.

Figura 2: Vueltas naturales de retorno actual

Por lo general, un circuito tiene múltiples planos de tierra: analógico, digital y de potencia, por ejemplo. Aunque la sabiduría convencional sobre esto ha variado a lo largo de los años, no deberíamos tener que dividir los planos de tierra si se proporcionan estas rutas de retorno natural. De hecho, las particiones pueden empeorar las cosas si una corriente de retorno no planificada tiene que tomar una ruta larga a su alrededor.

Las rutas de corriente natural, además de las particiones inteligentes, pueden ser la mejor solución.

Mejores Prácticas de Fuego Rápido

Por supuesto, una consideración clave es la ubicación donde los rieles de alimentación entran o se originan en la placa. Si estas consideraciones están bajo el control del diseñador, éstas deben elegirse para promover un buen diseño. Tenga en cuenta que la misma filosofía de bucle también debe aplicarse a la unidad de compuerta MOSFET porque también tiene corrientes grandes y puntiagudas.

Para un mayor control de las emisiones radiadas, la "regla de 20H" dicta, para las capas con espaciado de H, que mantengamos todas las trazas al menos 20H desde el borde del tablero. Por lo general, es necesario empujar las rutas de energía a otras capas utilizando vías de energía para obtener un diseño ajustado, solo necesita administrar el efecto de esas vías como cualquier otro elemento en la ruta de energía. La inductancia, la resistencia y el número total de vías afectarán el rendimiento de la ruta.

Los circuitos de control sensibles necesitan un terreno limpio. Si enviamos la corriente de retorno de potencia grande y pulsante a través de una ruta de retorno compartida por el control, se crearán picos de voltaje que perturbarán la conexión a tierra del control e inyectarán ruido en el circuito de control, lo cual es altamente indeseable. Utilizamos la conexión a tierra en estrella para evitar esto (consulte la Figura 3): mantiene las rutas de retorno sin compartir y separadas.

figura 3: Puesta a tierra de estrellas

Al pasar los voltajes de alimentación a los circuitos integrados, siempre dé prioridad de proximidad a los componentes de alta frecuencia primero. Evite las vías y conecte directamente a los pines IC.

Considere el ejemplo de diseño del fabricante del IC, como una tabla de evaluación, como guía. Sin embargo, tenga en cuenta que la placa puede tener objetivos de acumulación y diseño que son diferentes a los suyos, por ejemplo, lograr el mejor rendimiento térmico en detrimento de otros parámetros.

Para trazas de potencia, el ancho, la longitud y el grosor deben diseñarse para limitar la caída de voltaje y la inductancia de traza. La caída de voltaje es más importante que nunca con los bajos voltajes de salida actuales.

Otra ley principal que debemos dejar que nos guíe es la del acoplamiento capacitivo: dos placas (nodos de circuito) cercanas entre sí se acoplarán en proporción al área de la placa y la distancia entre ellas, con más acoplamiento a frecuencias más altas y nodo receptor más alto impedancia.

Por ejemplo, la retroalimentación de voltaje se logra al conectar el pin de detección a la salida, y esta señal debe desviarse de fuentes de ruido como el nodo de conmutación y el inductor. El nodo pin de detección es de alta impedancia y, por lo tanto, más susceptible al acoplamiento capacitivo: manténgalo lo más pequeño posible y aislado de las fuentes de ruido. Los planos de CC de intervención también pueden reducir el acoplamiento.

Nodos con alta dv / dt los transitorios, como el nodo de conmutación, deben mantenerse pequeños y aislados, mientras se mantiene la capacidad de corriente suficiente para que no se conviertan en fuentes de ruido.

Habrá un compromiso de colocación de puntos de detección necesario si hay varios puntos de carga para un riel eléctrico; puede poner preferencia en una carga o lugar central. Si la señal de detección es diferencial, eso es bueno, pero se debe enrutar como una línea de transmisión. Coloque cualquier resistencia de circuito sensor cerca del IC.

¿Cuántas capas debe tener una tabla? Más capas significan más espacio para enrutar y más planos de suministro y tierra que pueden proporcionar protección, pero también más vías y más costos. Para los IC de convertidores modernos, probablemente debería tener al menos cuatro capas. Además, la cantidad de capas a menudo no está bajo el control del diseñador de energía, ya que está dictada por otras consideraciones. En general, cuantas menos capas tenga, más creativo tendrá que ser para obtener un diseño efectivo.

Consideraciones térmicas

El diseño también es impulsado por consideraciones térmicas, más obviamente por la almohadilla térmica para el IC y los MOSFET, a través de los cuales la mayor parte del calor se introduce en la placa y luego se irradia al aire. El tamaño de la almohadilla térmica y el número de capas, el número de vías, la temperatura ambiente máxima y el flujo de aire disponible deben considerarse. En última instancia, puede ser necesario un disipador de calor externo para los MOSFET. La hoja de datos tendrá al menos un ejemplo térmico que puede utilizar para guiar su diseño térmico.

Además, asegúrese de saber si debe conectar el IC Pad de forma eléctrica o no, no siempre se especifica en la hoja de datos. Un buen truco, si tiene espacio, es extender la almohadilla más allá del borde del IC en la capa superior, dándole un lugar para calentarlo para que sea más fácil levantar el IC.

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El tiempo empleado en un buen diseño compensará con creces el tiempo empleado en la solución de problemas de un circuito mal diseñado, y es mucho más agradable.