Come ridurre al minimo le correnti parassite negli alimentatori a commutazione

Gli alimentatori a commutazione sono molto apprezzati per la loro efficienza e flessibilità. Pongono però alcune sfide nello sforzo di estendere il loro raggio d'azione a nuove applicazioni. In particolare, la commutazione ad alta frequenza può indurre interferenze elettromagnetiche (EMI) nel resto del sistema. Inoltre, gli stessi fattori che possono causare le EMI riducono anche l'efficienza, compromettendo uno dei vantaggi principali di questi alimentatori a commutazione.

Per evitare questi problemi, i progettisti devono prestare particolare attenzione alla configurazione del "circuito caldo", la parte del circuito di alimentazione in cui si verifica la commutazione rapida. È essenziale ridurre al minimo le perdite parassite del circuito caldo dovute alla resistenza equivalente in serie (ESR) e all'induttanza equivalente in serie (ESL). Questo è possibile scegliendo componenti di alimentazione altamente integrati e un'attenta disposizione della scheda a circuiti stampati.

Questo articolo spiega i circuiti caldi e le fonti di perdita parassita, tra cui i condensatori di accoppiamento, i transistor di potenza a effetto campo (FET) e i fori di via della scheda CS. Mostra quindi un esempio di convertitore di potenza altamente integrato di Analog Devices e presenta vari layout di schede CS e i loro effetti sui parametri parassiti. Si conclude con consigli pratici per la riduzione di ESR e di ESL.

Nozioni di base sui circuiti caldi negli alimentatori a commutazione

Qualsiasi progetto di alimentazione che preveda correnti di commutazione rapida, come i convertitori boost, buck/boost e flyback, presenterà circuiti caldi con correnti di commutazione ad alta frequenza. Questo concetto è illustrato da un convertitore buck semplificato, noto anche come convertitore step-down (Figura 1). Il circuito a sinistra (rosso) contiene tutti gli elementi di commutazione; le correnti ad alta frequenza generate sono contenute all'interno e formano il circuito caldo.

Figura 1: Un convertitore buck semplificato illustra il principio di circuito caldo, evidenziato in rosso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'aspetto "caldo" deriva dalle importanti attività di conversione e commutazione dell'energia che avvengono in quest'area del circuito, spesso accompagnate dalla generazione di calore. La disposizione e la progettazione corretta di questi circuiti caldi sono fondamentali per ridurre al minimo le EMI e garantire il funzionamento efficiente dell'alimentatore.

Il circuito più realistico della Figura 2 mostra un convertitore c.c./c.c. buck sincrono. Per questo circuito caldo, i componenti fisici (etichettati in nero) sono il condensatore di ingresso (C_IN) e i FET a semiconduttore metallo-ossido di commutazione (MOSFET), M1 e M2.

Figura 2: I circuiti caldi nel mondo reale includono inevitabilmente parametri parassiti, indicati in rosso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I parametri parassiti all'interno del circuito caldo sono contrassegnati in rosso. La ESL è tipicamente nell'intervallo dei nanohenry (nH), mentre la ESR è nell'intervallo dei milliohm (mΩ). La commutazione ad alta frequenza provoca la sovraoscillazione nelle ESL, con EMI conseguenti. L'energia immagazzinata nelle ESL viene quindi dissipata dalle ESR, con conseguente perdita di potenza.

Riduzione al minimo dei parametri parassiti con componenti integrati

Queste impedenze parassite (ESR, ESL) si verificano all'interno dei componenti e lungo le tracce del circuito caldo della scheda CS. Per ridurre al minimo questi parametri, i progettisti devono scegliere con cura i componenti e ottimizzare il layout della scheda CS.

Un modo per raggiungere entrambi gli obiettivi consiste nell'utilizzo di componenti integrati. Questi eliminano le tracce della scheda CS necessarie per collegare i componenti discreti e riducono l'area complessiva del circuito caldo. Entrambi contribuiscono a ridurre l'impedenza parassita.

Un ottimo esempio di componente altamente integrato è il regolatore step-down µModule LTM4638 di Analog Devices. Come illustrato nella Figura 3, questo regolatore di commutazione da 15 A integra il controller a commutazione, i FET di potenza, l'induttore e i componenti di supporto, il tutto in un piccolo contenitore di 6,25 × 6,25 × 5,02 mm.

Figura 3: Il regolatore µModule LTM4638 integra molti dei componenti necessari a un convertitore buck. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

LTM4638 incorpora diverse altre caratteristiche che riducono le perdite parassite, tra cui:

• Rapida risposta ai transitori: consente di regolare rapidamente la tensione di uscita in risposta alle variazioni del carico o dell'ingresso, riducendo al minimo la durata e l'impatto delle perdite parassite grazie alla rapida transizione attraverso stati operativi non ottimali.
• Funzionamento in modalità discontinua: consente alla corrente dell'induttore di scendere a zero prima che inizi il ciclo di commutazione successivo. Tipicamente utilizzata in condizioni di basso carico, questa modalità riduce le perdite di commutazione e nel nucleo dell'induttore, portandolo fuori tensione per una parte del ciclo.
• Monitoraggio della tensione di uscita: consente all'uscita del convertitore di seguire una tensione di ingresso di riferimento. Controllando con precisione la rampa in salita e in discesa della tensione di uscita, questa funzione riduce la probabilità che si verifichino sovra o sottotensioni che possono aggravare le perdite parassite.

Riduzione al minimo dei parametri parassiti con il posizionamento dei componenti

La costruzione di un convertitore buck sincrono con LTM4638 richiede l'aggiunta di condensatori di ingresso e di uscita, rispettivamente C_IN e C_OUT. Il posizionamento di questi condensatori può avere un impatto significativo sui parametri parassiti.

Gli esperimenti di Analog Devices con la scheda di valutazione DC2665A-B per LTM4638 illustrano l'impatto del posizionamento del C_IN.Il modello DC2665B-B ha sostituito questa scheda, ma valgono gli stessi principi. Le Figure da 4 a 6 illustrano tre diversi layout per il C_IN e i corrispondenti circuiti caldi. I circuiti caldi verticali 1 (Figura 4) e 2 (Figura 5) posizionano il C_IN sullo strato inferiore, rispettivamente direttamente sotto il regolatore o lateralmente. Il circuito caldo orizzontale (Figura 6) posiziona il condensatore sullo strato superiore.

Figura 4: Circuito caldo verticale 1, vista dal basso e laterale. Il C_IN si trova direttamente sotto il regolatore, collegato tramite fori di via. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 5: Circuito caldo verticale 2, vista dal basso e laterale. Il C_IN si trova sotto il regolatore, ma accanto ad esso, e richiede tracce e fori di via sulla scheda. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 6: Circuito caldo orizzontale, vista dall'alto e laterale. Il C_IN si trova sullo strato superiore e si collega al regolatore attraverso le tracce. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il circuito caldo verticale 1 ha il percorso più breve ed evita l'utilizzo di tracce sulla scheda. Pertanto, è presumibile che abbia i parametri parassiti più bassi. L'analisi di ciascun circuito caldo con FastHenry a 600 kHz e 200 MHz rivela che questo è vero (Figura 7).

Figura 7: Come previsto, il percorso più breve presenta l'impedenza parassita più bassa. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata dall'autore)

Sebbene questi parametri parassiti non possano essere misurati direttamente, i loro effetti possono essere previsti e testati. In particolare, una ESR più bassa dovrebbe portare a una maggiore efficienza, mentre una ESL più bassa dovrebbe comportare una riduzione dell'ondulazione. La verifica sperimentale ha confermato queste previsioni, con il circuito caldo verticale 1 che dimostra prestazioni migliori in entrambi i parametri (Figura 8).

Figura 8: I risultati sperimentali confermano che il circuito caldo verticale 1 raggiunge un'efficienza e un'ondulazione migliori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Riduzione al minimo dei parametri parassiti per i componenti discreti

Sebbene i dispositivi integrati offrano molti vantaggi, alcuni alimentatori a commutazione richiedono componenti discreti. Ad esempio, un'applicazione ad alta potenza potrebbe superare le capacità dei dispositivi integrati. In questi casi, il posizionamento e le dimensioni del contenitore dei FET di potenza discreti possono avere un impatto significativo sulle ESR e sulle ESL del circuito caldo. Tale impatto può essere osservato testando due schede di valutazione, entrambe dotate di controller buck/boost sincroni a 4 interruttori ad alta efficienza, come illustra la Figura 9:

• La scheda di valutazione DC2825A si basa sul regolatore buck/boost LT8390. I suoi MOSFET sono disposti in parallelo, hanno cioè lo stesso orientamento.
• La scheda di valutazione DC2626A si basa sul regolatore buck/boost LT8392. Ha due coppie di MOSFET disposte a un angolo di 90°.

Figura 9: DC2825A (a sinistra) dispone i MOSFET in parallelo, mentre DC2626A (a destra) li dispone a 90°. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le due schede sono state testate utilizzando MOSFET e condensatori identici in un funzionamento step-down da 36 a 12 V a 10 A e 300 kHz. I risultati hanno mostrato che il posizionamento a 90° presentava un ripple di tensione inferiore e una frequenza di risonanza più elevata, indicando una ESL della scheda CS più ridotta grazie a un percorso più breve del circuito caldo (Figura 10).

Figura 10: DC2626A, con la sua disposizione dei MOSFET a 90°, presenta un ripple inferiore e una frequenza di risonanza più elevata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Altre considerazioni sul layout

Anche il posizionamento superiore dei fori di via nel circuito caldo ha un impatto sulla ESR e sulla ESL del circuito. In generale, l'aggiunta di più fori di via riduce l'impedenza parassita della scheda CS. Tuttavia, la riduzione non è linearmente proporzionale al numero di fori di via. I fori di via più vicini alle piazzole dei terminali riducono significativamente ESR ed ESL. Pertanto, è necessario posizionare più fori di via vicino alle piazzole dei componenti critici (C_IN e µModule o MOSFET) per ridurre al minimo l'impedenza del circuito caldo.

Esistono molti altri modi per influire positivamente sulle prestazioni elettriche e termiche. Per ottimizzare il circuito caldo, le best practice includono:

• Utilizzare ampie aree di rame della scheda per i percorsi ad alta corrente, tra cui V_IN, V_OUT e terra, per ridurre al minimo le perdite di conduzione e la sollecitazione termica.
• Collocare uno strato di terra dedicato all'alimentazione sotto l'unità.
• Utilizzare più fori di via per l'interconnessione tra lo strato superiore e gli altri strati di potenza per ridurre al minimo la perdita di conduzione e la sollecitazione termica del modulo.
• Non collocare i fori di via direttamente sulla piazzola, a meno che non siano chiusi o placcati.
• Utilizzare un'area di rame separata per la messa a terra del segnale per i componenti collegati ai pin di segnale, collegando la terra del segnale al pin di terra principale sotto l'unità.
• Per il monitoraggio, individuare i punti di prova sui pin di segnale.
• Mantenere la separazione tra il segnale di clock e le tracce di ingresso della frequenza per ridurre al minimo la possibilità di disturbi dovuti alla diafonia.

Conclusione

I parametri parassiti all'interno del circuito caldo influenzano pesantemente le prestazioni di un alimentatore a commutazione. La riduzione al minimo di questi parametri è fondamentale per un'elevata efficienza e un basso livello di EMI.

Uno dei modi più semplici per raggiungere questi obiettivi è l'utilizzo di moduli regolatori integrati. Tuttavia, gli alimentatori a commutazione richiedono tipicamente l'uso di componenti a effetto di massa come i condensatori, per cui è essenziale comprendere le implicazioni del layout del circuito caldo.