Considerazioni sul routing per un convertitore Buck

Sto cercando di costruire un convertitore buck con uscita regolabile con i seguenti requisiti:

• Uscita 1,25-15 V.
• Ingresso 20-24 V.
• Corrente massima 5A (con limitazione)
• Ondulazione di uscita massima 100mV (preferibile ma meno cruciale)
• Area PCB di 50x50mm

Utilizzando l'IC LM5085: scheda tecnica , credo di avere un design che funzionerà. Il progetto a cui ho optato è lo schema "applicazione tipica" a pag.1 del foglio dati, con l'aggiunta di un resistore di rilevamento: sono abbastanza sicuro della mia scelta di valori per i componenti semplicemente seguendo le equazioni in tutto il foglio dati (nota:$C_{OUT1}$ e $C_{OUT2}$ non hanno valori mostrati in quanto sono lì per le esigenze di eventuali progetti futuri con vincoli di pacchetti di condensatori diversi).

NOTA : non ho incluso il calcolo dei valori dei componenti perché non rientrava nell'ambito della domanda, tuttavia i valori possono essere visualizzati nel diagramma schematico. Se per qualsiasi motivo sono necessari, posso fornire una modifica con tutto il mio lavoro.

La mia prima domanda riguarda $R_{adj}$, come mostrato nell'esempio di progettazione a pag.18-19 del foglio dati, l'offset del comparatore di limiti di corrente e la tolleranza di dispersione del pin ADJ possono far sì che il valore del limite di corrente attuale sia da qualche parte in un intervallo piuttosto ampio. C'è qualche problema se dovessi partire$R_{adj1}$ come circuito aperto, collegare un carico di uscita che assorbirà ~ 6A, quindi regolare il valore del trimpot $R_{adj2}$ fino a quando la corrente è limitata a 5A?

Il resto delle mie domande riguardano il layout della lavagna. Questo è il mio primo PCB con frequenze più alte e correnti più grandi, quindi mi aspetto di avere molto da imparare. Usando l'esempio di layout su pg23, questa guida , così come altre domande poste sul routing con alte frequenze, alte correnti e routing intorno agli induttori, ho questa comprensione:

1. Deve ridurre a icona loop1: $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. Deve ridurre a icona loop2: $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. Connessione da $R_{sns}$ al pin ISEN deve essere una connessione Kelvin
4. Evitare ogni traccia e scorrimento sotto l'induttore, ove possibile, per ridurre al minimo il rumore / la corrente indotti
5. Le tracce che trasportano correnti elevate devono essere spesse e corte
6. Tenere traccia di feedback lontano dall'induttore e da altre tracce rumorose
7. Evitare di utilizzare vie laddove possibile per segnali di commutazione elevati

Con tutto ciò in mente, il mio primo tentativo è mostrato di seguito. Vale la pena notare che la massima frequenza di commutazione (che si verifica a$V_{out}=max$) è di circa 420 kHz. Per riferimento lo spessore delle tracce è: N $ 6 è 1,68 mm (sarà probabilmente reso più spesso in quanto vi è molto spazio), VOUT andando al terminale di uscita J4 è 3 mm e le tracce di segnale piccole sono 0,254 mm. L'uso del calcolatore della larghezza della traccia online fornisce un aumento della temperatura di ~ 23 ° C sulle tracce di 1,68 mm.

Questo non è il design più recente, viene lasciato qui per lo storytelling, vedi EDIT Mostra le dimensioni dei loop:

Le principali preoccupazioni che ho sono:

• Questi spessori sono nel giusto campo da baseball?
• Ho ridotto al minimo i loop nel miglior modo possibile, ma se è un brutto lavoro fammelo sapere
• Le due vie sotto l'LM 5085 sono necessarie per collegare il terminale di ingresso J3 al getto di strato superiore GND. L'unico modo che vedo per evitarlo sarebbe invece usare vias sulla traccia FB (proveniente da CFF all'LM5085) per consentire a una traccia di livello superiore di correre da J3 al piano terra dello strato superiore. Non ho optato per questo nel layout attuale perché è necessario che la traccia FB debba essere tenuta lontana dal rumore, la Figura 7-c nella guida di layout di cui sopra qui utilizza comunque i via, quindi forse questa è una possibilità? Quale dovrebbe essere la mia priorità qui? connessione FB diretta su uno strato o collegamento a terra al terminale di ingresso senza via?
• Il segnale di gate contiene anche 2 vie per consentire al piano di terra di raggiungere i condensatori di ingresso e il diodo, l'alternativa sarebbe di averlo come una traccia dello strato superiore e utilizzare una via per collegare i condensatori al getto GND dello strato inferiore. Cosa c'è di peggio per le prestazioni qui? collegare i tappi di ingresso a GND tramite via / s o avere due via su un segnale che funziona a 420 kHz?
• Se c'è qualcos'altro che ho trascurato o potrei semplicemente migliorare?

So che questa è stata una lettura lunghissima, quindi grazie mille per qualsiasi aiuto e suggerimento, pubblicherò i risultati quando il dollaro sarà finito e testato!

MODIFICA 1

Dopo aver esaminato il layout della scheda di valutazione collegata, ho rifatto la scheda, provando solo ad apportare le modifiche necessarie: il diagramma schematico originale è stato aggiornato alla nuova impostazione, ora sto usando la configurazione "Riduzione del livello di ondulazione".

Modifiche ai componenti:

• $C_{out}$ ora sono in ceramica
• L'induttore è ora SMD e dimensioni del pacchetto inferiori
• Trimpot obsoleto eliminato ($R_{FB1}$)
• Valori per $C_{in}$ modificato, ora include il cappuccio di bypass
• Modificato il pacchetto da Q1 a 220 per consentire un migliore dissipazione del calore (condiviso da D1)

Rivolgendosi a @Ali Chen Re: "qual è lo scopo del progetto? Per 1,25 V ci sarà un ottimo punto di partenza diverso rispetto all'uscita 15 V"

Lo scopo è quello di costruire un SMPS in grado di funzionare in modo simile a una fornitura da banco, ma che possa essere racchiuso in un progetto più ampio. Hai ragione sul fatto che l'insieme più ottimale di valori dei componenti sarà diverso per i diversi output, ma per il mio scopo è sufficiente che il progetto funzioni, ottenere la massima efficienza / ondulazione minima di output ecc. Non è la mia priorità.

La mia linea di pensiero per i valori dei componenti (e per favore correggimi se questo è sbagliato) è stata quella di utilizzare Excel per fornire cifre chiave nell'intervallo di output di 1,25-15 V ($V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$ ecc.) quindi confrontandoli con i requisiti dei regolatori (es $V_{FB(ripp)} > 25mV$) per trovare i valori dei componenti che funzionerebbero per tutti gli output.

Gradirei feedback su questo nuovo design, le mie nuove preoccupazioni sono:

• Sono attive le connessioni Kelvin $R_{sns}$ accettabile?
• Termiche vs nessuna termica? il layout sulla scheda di valutazione non utilizza termiche, le ho usate per la maggior parte delle connessioni. Andrà tutto bene finché la combinazione di tutte le tracce che entrano nel pad può gestire la corrente?
• Qualche altro pensiero?

MODIFICA 2

Seguendo i consigli di @winny, ho ridotto le dimensioni del layout montando D1 e Q1 schiena contro schiena. Mi è stato anche suggerito di avvicinare Cin al Q1, quindi ho provato questo. Cin1 è la posizione originale dell'elettrolitico come regolato dal layout della scheda di valutazione . Cin4 è il mio tentativo di avvicinarlo, è una posizione migliore per questo? O il suo terminale di terra si trova ora troppo lontano dagli anelli? Infine, è stata messa in dubbio l'efficacia dell'uso di un elettro a frequenze fino a 420 kHz. Questa scheda ha un'uscita di 1,25-15 V, il che significa che la sua frequenza sarà in realtà da qualche parte nell'intervallo 40-420 kHz, quindi mi aspetto che l'elettronica aiuti a ridurre l'ondulazione alle uscite inferiori. (Considerando anche la possibilità di regolare la gamma di frequenza su 20-200kHz)

La tua domanda è estremamente vaga, motivo per cui nessuno ha risposto.

Quindi presumo che tu intenda che la tua domanda sia più o meno queste due domande specifiche:

1. Funzionerà?

No, non funzionerà, per motivi irrilevanti per il layout.

Sei caduto nella trappola comprensibilmente comune di confondere "variabile" con "variabile / variabile". Un regolatore di uscita regolabile significa invece di una tensione di uscita fissa, è possibile regolare la tensione di uscita fissa che regolerà. Non vi è alcuna implicazione sul fatto che funzionerà bene, o addirittura del tutto, in un'applicazione variabile della tensione di uscita. Variando, ovviamente, significa che la tensione di uscita regolata varierà durante il funzionamento. Tutti i mezzi regolabili sono che è possibile regolare un'uscita fissa. È ancora riparato durante il funzionamento. Ecco perché tutti gli esempi nel foglio dati, così come la scheda di valutazione, hanno uscite fisse.

Ora, anche il termine "regolabile" non ha alcuna conseguenza che non può essere utilizzato in un'applicazione di output variabile. Ma è importante capire che se una parte è regolabile, non vi è motivo di pensare che sia possibile variare l'output durante il funzionamento o che la parte sia pensata o progettata per farlo. È necessario determinarlo su base parziale.

Hai selezionato un controller isteretico a tempo costante (COT), che è una buona scelta per un output variabile, ma questa parte non è stata progettata pensando a questo. I controller COT sono estremamente sensibili al rumore nel loro percorso di feedback. Normalmente, un COT progettato per l'uscita variabile avrà un pin di controllo dedicato che non sarà direttamente nel percorso di feedback, mitigando molta di questa sensibilità (i mezzi specifici dipendono dalla parte). Non esiste un tale pin sull'LM5085.

Questo è importante perché un controller COT NON tollererà quasi sicuramente di avere un tergicristallo rumoroso che raschia letteralmente, meccanicamente, più carbonio con qualsiasi detrito di dito e perdite di gatto (o qualsiasi altra cosa) che si sono fatte strada su dette superfici di tergicristallo. Un controller isteretico è fondamentalmente un oscillatore di confronto, che lo rende estremamente elevato ed è prodotto da un rumore che non si registra nemmeno in un amplificatore di errore in modalità corrente più comune. Probabilmente non tollererebbe nemmeno un potenziometro seduto lì, senza essere regolato durante il funzionamento. Se lo metti abbastanza lontano da non accoppiarsi in modo capacitivo o assorbente (come in un'antenna) al nodo del tuo interruttore, le tue tracce sono comunque troppo lunghe e agiscono come meravigliose antenne pick-up auto-EMI.

Se si desidera variare l'output di questo controller, è necessario farlo senza roba elettromeccanica rumorosa (non sono consentite parti mobili!) O variando la resistenza effettiva del percorso di feedback. Sarà necessario utilizzare l'iniezione corrente, probabilmente con un DAC di uscita corrente. Sì, questo è un ordine elevato. No, non c'è modo di aggirarlo. È quello o ha scelto un controller PWM in modalità corrente più tradizionale.

Vale la pena ricordare che l'iniezione di corrente non è specifica per i COT, ma può essere utilizzata come un metodo molto efficace, affidabile e silenzioso per variare QUALSIASI tensione di uscita del controller, da esso lineare, PWM, isteretico, ecc. È abbastanza universale.

E questa è in realtà un'esilarante stupidità, in realtà c'è un post sul blog TI che dimostra di fare esattamente quello che ho descritto con la tua parte esatta! Sìì!

Seconda domanda:

2. Quali linee guida dovresti seguire quando disponi un convertitore buck?

Quindi, ti preoccupi principalmente delle cose sbagliate, o ti preoccupi molto di cose che non contano molto, e ti preoccupi molto poco delle cose che fanno.

Innanzitutto, alcune brevi note:

1. 5A non è una corrente molto elevata e la corrente di uscita in realtà non indica molto di ciò su quali correnti si verificheranno in un circuito. In un convertitore buck, ci saranno generalmente molte volte la corrente di uscita che si verifica in determinate aree.

2. Nulla sulla tua scheda è ad alta frequenza / frequenza più alta. L'alta frequenza, nel contesto del layout, inizia tra centinaia di megahertz e oltre. Nulla è misurato in kilohertz entro nemmeno due ordini di grandezza di alta frequenza.

3. Penso che tu stia confondendo lo squillo indotto da dV / dT e la tua frequenza di commutazione. Quando varie note dell'app di layout per gli switcher parlano di alte frequenze, questo non ha nulla a che fare con la frequenza di commutazione. In effetti, lo stesso convertitore a 400 KHz suonerà alle stesse frequenze di 40 KHz.

L'EMI / il rumore ad alta frequenza di cui si parla dipende dal tempo di salita, dV / dT, dei tuoi interruttori (MOSFET e diodo, nel tuo caso) e dalle induttanze e capacità parassite coinvolte nel nodo del tuo interruttore. Ricorda, hai una capacità parassitaria da tutto a tutto (se c'è un dielettrico / isolante in mezzo) e qualsiasi cosa conduttiva è anche un induttore. Cosa ottieni se hai un condensatore o un induttore in serie, o in parallelo, o guardandoti l'un l'altro in modo divertente? Sì, ottieni un serbatoio risonante LC. Di solito, la capacità parassita è troppo piccola per essere importante, ma la capacità di ingresso del MOSFET, così come i condensatori di ingresso che scaricano dozzine di ampere direttamente attraverso il MOSFET nel nodo dell'interruttore che si collega a un conduttore dell'induttore ... sicuramente importante. E loro'

Il più delle volte, passano inosservati perché ci vuole un colpo tremendamente veloce per suonare una campana del genere. Sfortunatamente, il nostro MOSFET è praticamente l'ideale per colpire questa campana e convincerla a suonare. Più veloce è il tempo di salita, più forte e più alta è la frequenza dell'anello. Potresti accenderlo 40.000 volte al secondo, o 400.000 volte al secondo, ma si accende ogni volta più veloce e più duro, non importa quante volte si preme l'interruttore al secondo. Questo è ciò che intendo per la tua frequenza di commutazione non rilevante.

In un convertitore buck, la preoccupazione principale è l' input , non l'output. Soprattutto, si desidera posizionare i condensatori di ingresso il più vicino possibile al lato superiore e al lato inferiore. Questo è il tuo nodo di commutazione. Quello che suona. E il più vicino possibile significa il più vicino possibile. 1 nanohenry farà una differenza significativa. Sì, 1 nanohenry. Ogni millimetro conta.

Volete anche i terreni dei condensatori di uscita il più vicino possibile ai terreni dei condensatori di ingresso. Ma questo è secondario e qualcosa da ottimizzare senza mai essere a scapito della vicinanza dei condensatori di ingresso ai tuoi interruttori. I convertitori buck funzionano aspirando grandi ma brevi sorsi di corrente all'ingresso che precede la rampa di corrente induttiva più lenta che costituisce un ciclo della nostra corrente di ondulazione.

Quindi, ovviamente, quelle parti TO-220 devono andare. Quel piombo e il filo conduttore probabilmente aggiungono solo 5 nanohenry! È necessario un bel pacchetto a montaggio superficiale con induttanze di drain / source misurate in centinaia di picohenry. Non un ingombrante TO-220 che potrebbe anche essere un grattacielo con quanto in alto e lontano si trova su quei cavi. Millimetri sprecati.

Oh, e gli unici condensatori che contano sono le tue ceramiche. Gli elettrolitici hanno troppa ESL, sono completamente resistivi a 100 KHz o 150 KHz se si utilizzano tipi ad alta frequenza e possono filtrare la corrente di ondulazione anche se la frequenza è abbastanza bassa. Ricordi quanto veloce e forte si attiva il MOSFET? Gli elettrolitici non sono assolutamente in grado di scaricare la carica all'aumento dei nanosecondi richiesto dall'interruttore. La loro induttanza lo impedisce, quindi mentre non hanno nemmeno rilasciato la prima coppia di carica dalle loro piastre, quell'interruttore ha abbassato la tensione (senza buffer capacitivo in grado di reagire) e la tua ondulazione di commutazione ha sparato tutto ciò che sta alimentando il tuo convertitore DC / DC. Alle basse frequenze, ci saranno queste armoniche ad alta frequenza che passeranno direttamente attraverso elettrolitici senza essere attenuate.

Gli elettrolitici devono attenuare la caduta di bassa frequenza e fornire un disaccoppiamento di grandi dimensioni, ma sono inutili ovunque vicino al circuito di commutazione principale e anche a frequenze più basse dovrebbero avere ancora un condensatore ceramico davanti a loro, più vicino al nodo di commutazione.

La ceramica è l'unica cosa che ha capacità, per quanto riguarda il rumore di cui devi preoccuparti (almeno da un commutatore).

Ora, nessuna di queste cose impedirà necessariamente al tuo circuito di funzionare. E questa non è una guida completa o dettagliata, ma di nuovo, sto rispondendo a una vaga domanda e quindi posso dare solo risposte vaghe. Spero che questo ti dia un quadro migliore di ciò che sta succedendo, e dovrebbe servire come un buon punto di partenza per continuare ad imparare.

Potrei modificare questa domanda in seguito e aggiungere un elenco più completo, ma per ora devo andare a letto. Scusate!