Zlaté pravidlo pro layout desky u spínaných zdrojů napájení

Článek vysvětluje základní předpoklady k dosažení optimalizovaného návrhu (layoutu) desky, který při vývoji spínaných zdrojů napájení rozhodně není radno podceňovat. Vhodné rozvržení zde totiž zajišťuje stabilní činnost spínaného regulátoru a minimalizuje interference (EMI) – vyzařované, stejně jako ty, které se šíří po vedení. Něco takového vývojáři elektronických systémů dobře znají, ovšem povědomí o tom, jak by měl optimalizovaný layout desky pro spínaný zdroj vypadat, by mohlo být ještě lepší.

Na obr. 1 sledujeme řešení vývojové desky pro obvody LT8640S [1]. Jedná se o snižující (step-down, buck) spínaný regulátor snášející vstupní napětí až 42 V, který je navržen pro zatěžovací odběry až do 6 A. Veškeré součástky zde přitom byly rozmístěny úsporným způsobem. Obecné doporučení totiž říká, že součástky máme na desce osazovat co nejblíže k sobě. To je sice pravda, ovšem při dosahování optimalizovaného rozvržení desky nemusí jít zrovna o nejvhodnější cestu. Jak ostatně plyne z obr. 1, máme zde okolo integrovaného obvodu – spínaného regulátoru poměrně dost (11) pasivních součástek. Který z těchto pasivních prvků má proto při rozmístění přednost před ostatními a proč?

Obr. 1  Deska se spínaným regulátorem LT8640S, hustým výskytem součástek, a tudíž i kompaktním řešením plošného spoje

V návrhu desky plošného spoje pro spínaný regulátor bude nejdůležitější směrovat cesty vedoucí při spínání obrovské proudy tak, aby zůstaly co nejkratší. Jestliže takové pravidlo úspěšně použijeme, bude v pořádku poměrně velká část layoutu desky spínaného regulátoru.

Jak ale zmíněné zlaté pravidlo při návrhu desky uplatnit co nejjednodušeji? Prvním krokem je zjistit, které trasy budou v topologii spínaného regulátoru stěžejní. Na takových cestách se pak mění průtok proudu s jednotlivými stavy spínače. Obr. 2 nám zachycuje obvyklé řešení snižujícího měniče s topologií Buck. Klíčové trasy jsou vyznačeny červeně. Jedná se o spojující „linky“, ve kterých v závislosti na stavu výkonových spínačů tečou buď proudy o plné velikosti, nebo také žádné. Takové trasy by pak měly mít minimální možnou délku. V případě snižujícího měniče je vhodné osadit vstupní kapacitu pokud možno co nejblíže k vývodům integrovaného spínaného regulátoru VIN a GND.

Obr. 2  Schéma snižujícího spínaného regulátoru a trasy s rychle se měnícími proudy vyznačené červenou barvou

Základní schematické znázornění obvodu se zvyšující topologií (Boost) přináší obr. 3. Zde také bude nízké napětí převáděno na vyšší. Proudové trasy, na kterých se bude průtok měnit společně se spínáním výkonových prvků, jsou znovu vyznačeny červenou barvou. Umístění vstupního kondenzátoru zde překvapivě není vůbec důležité. Největší roli zde totiž hraje pozice výstupní kapacity. Je zapotřebí, abychom se dostali co nejblíže k diodě (Flyback), resp. spínači na vyšší straně napájení, stejně jako k zemnímu spojení spínače na nižší straně napájení.

Obr. 3  Schéma zvyšujícího spínaného regulátoru a trasy s rychle se měnícími proudy vyznačené opět červeně

Nyní již bude možné prozkoumat každou další topologii spínaného regulátoru a získat přitom informaci, jakým způsobem dochází ke změně toku proudu při spínání aktivních prvků. Klasická metoda zde přitom zahrnuje vytištění zapojení a namalování průtoků s využitím tří per odlišné barvy. Jednou z nich signalizujeme tok proudu během fáze „zapnuto“, tzn. když výkonový spínač vede proud. Druhou barvou podchytíme situaci ve fázi „vypnuto“, tj. když výkonový prvek nevede. Třetí barvou konečně zdůrazníme veškeré trasy označené buď jen s první, nebo pouze s druhou barvou. Klíčovou cestu, na které dochází ke změnám v průtoku proudu v návaznosti na spínání součástek, pak lze jasně rozpoznat.

Méně zkušení vývojáři považují layout desky pro spínaný regulátor často za nějakou magii. Nejdůležitější pravidlo zde přitom spočívá v návrhu tras, na kterých při spínání dochází ke změně v průtoku proudu tak, aby zůstaly nanejvýš krátké a umožňovaly maximálně kompaktní řešení. Při sledování logických vazeb to lze vyjádřit jednoduše a v návrhu spínaného zdroje napájení díky tomu vytvořit optimalizovaný layout desky plošného spoje.

Odkazy:

[1] Obvody LT8640S, www.analog.com/en/products/lt8640s.html#product-overview