Zásady pro umístění indukčnosti na desce spínaného zdroje

V „Rarely Asked Questions“ byla letos v dubnu nadhozena otázka výběru správného místa pro cívku [1]. Indukčností využívají spínané měniče při konverzi napětí k přechodnému ukládání energie. Takové součástky bývají často docela rozměrné a při návrhu desky plošného spoje (DPS) spínaného zdroje na ně musíme pamatovat. Taková úloha nebude zase až tak obtížná, protože se proud tekoucí indukčností může měnit, ale ne okamžitě. Můžeme zde uvažovat pouze ustavičné a zpravidla též relativně pozvolné změny.

Spínané měniče přepínají tok proudu tam a zpět mezi dvěma odlišnými trasami. K takovému spínání dochází velmi rychle, přičemž rychlost bude záviset na délce trvání příslušných hran. Výsledné cesty vedoucí proud v jedné fázi spínání a v další pak ne nazýváme „horkými“ smyčkami nebo též trasami střídavého proudu. Při návrhu DPS by měly zůstat především malé a krátké, to vše s cílem omezit zde na minimum parazitní indukčnosti. Ty pak generují nežádoucí napěťový offset a vedou k elektromagnetickým interferencím (EMI).

Na obr. 1 sledujeme snižující měnič, ve kterém je rozhodující horká smyčka vyznačena přerušovanou čarou. Jak můžeme vidět, cívka L1 součástí této smyčky není. Můžeme tedy nabýt dojmu, že umístění takové indukčnosti nebude nijak zásadní. Nechat cívku ležet vně takové smyčky je správné a její pozice se tak může na první pohled zdát podružná. Nicméně i tak je potřeba stále pamatovat na několik pravidel.

Pod indukčností, přímo na povrchu desky plošného spoje, ale ani pod ní ve vnitřních vrstvách nebo na opačné straně DPS by neměly vést žádné citlivé řídicí signály. Kvůli průtoku proudu cívka generuje magnetické pole, které na signálové trase může ovlivnit slabé průběhy. V rámci spínaného zdroje bude jednou z klíčových signálových tras zpětnovazební cesta spojující výstupní napětí se samotným integrovaným obvodem, příp. napěťovým děličem.

Stojí za povšimnutí, že skutečné cívky vnáší rovněž kapacitní vliv, stejně jako ten induktivní. První závity cívky jsou dle obr. 1 spojeny přímo se spínacím uzlem snižujícího měniče. Ve výsledku se tak bude napětí měnit stejně tak „ostře“ a rychle jako napětí na uzlu spínacích tranzistorů. Spolu s velmi krátkými dobami spínání a vyšším vstupním napětím v obvodu dochází u dalších tras na DPS k výraznému vazebnímu účinku. Z tohoto důvodu by také neměly být citlivé signálové trasy vedeny v blízkosti cívky.

Obr. 2 ukazuje rozvržení desky s obvody ADP2360 [2]. Významnou horkou smyčku z obr. 1 zde máme vyznačenou zeleně, zatímco oranžovou zpětnovazební trasu pak pozorujeme v dostatečné vzdálenosti od cívky L1. Fyzicky se nachází na vnitřní vrstvě desky plošného spoje. Někteří vývojáři jdou dokonce tak daleko, že na DPS nechtějí mít pod cívkou žádné vrstvy mědi. Výřez by pod indukčností dokonce nechali udělat i v případě zemní plochy. Smyslem je zamezit na zemní ploše pod cívkou vířivým proudům provázaným s magnetickým polem indukčnosti. Tato úvaha není špatná, nicméně existují zde i argumenty ve prospěch jednolité zemní plochy bez jakýchkoli přerušení:

• zemní plocha řešená za účelem stínění pracuje nejlépe, nebude-li přerušována,
• čím více máme na desce mědi, tím lépe odvádí teplo,
• dokonce i v případě výskytu vířivých proudů budou takové toky působit lokálně, způsobovat jen malé ztráty a stěží ovlivní funkci zemní plochy.

Autor je proto zastáncem masivní zemní vrstvy, a to i pod cívkou.

Abychom to tedy shrnuli, můžeme dojít k závěru, že indukčnost spínaného zdroje není součástí klíčové horké smyčky. Přesto je však rozumné nerozvádět řídicí signály pod cívkou nebo i v její těsné blízkosti. Různé plochy na DPS, kupříkladu pro zem, ale třeba též napájecí napětí VDD by měly být vytvářeny souvisle a bez výřezů.