Considérations de routage pour un convertisseur Buck

Je cherche à construire un convertisseur abaisseur de sortie réglable avec les exigences suivantes:

• Sortie 1.25-15V
• Entrée 20-24V
• Courant max 5A (avec limitation)
• Ondulation de sortie maximale 100 mV (préférable mais moins crucial)
• Surface PCB de 50x50mm

En utilisant le LM5085 IC: fiche technique , je pense avoir une conception qui fonctionnera. La conception que j'ai choisie est le schéma "application typique" sur la page 1 de la fiche technique, avec l'ajout d'une résistance de détection: je suis assez confiant avec mon choix de valeurs pour les composants juste en suivant les équations tout au long de la fiche technique (note:$C_{OUT1}$ et $C_{OUT2}$ n'ont aucune valeur indiquée car ils sont là pour les besoins de futurs projets avec différentes contraintes de boîtier de condensateur).

REMARQUE : Je n'ai pas inclus le calcul des valeurs des composants car ce n'était pas la portée de la question, les valeurs peuvent être vues dans le diagramme schématique cependant. Si pour une raison quelconque, ils sont nécessaires, je peux fournir une modification avec tout mon travail.

Ma première question concerne $R_{adj}$, comme illustré dans l'exemple de conception à la page 18-19 de la fiche technique, le décalage du comparateur de limite de courant et la tolérance de broche de broche ADJ peuvent entraîner une valeur limite de courant réelle quelque part dans une plage assez large. Y a-t-il un problème si je devais partir$R_{adj1}$ comme un circuit ouvert, attachez une charge de sortie qui attirera ~ 6A, puis accordez la valeur du potentiomètre $R_{adj2}$ jusqu'à ce que le courant soit limité à 5A?

Le reste de mes questions concerne la disposition du tableau. Ceci est mon premier PCB avec des fréquences plus élevées et des courants plus importants, donc je m'attends à avoir beaucoup à apprendre. En utilisant l'exemple de disposition sur pg23, ce guide , ainsi que d'autres questions publiées sur le routage avec des fréquences élevées, des courants élevés et le routage autour des inductances, j'ai cette compréhension:

1. Doit minimiser loop1: $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. Doit minimiser loop2: $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. Connexion depuis $R_{sns}$ à la broche ISEN doit être une connexion kelvin
4. Évitez autant que possible les traces et les coulées sous l'inductance pour minimiser le bruit / courant induit
5. Les traces de transport de courant élevé doivent être épaisses et courtes
6. Gardez la trace de rétroaction loin de l'inducteur et d'autres traces bruyantes
7. Évitez d'utiliser des vias dans la mesure du possible pour les signaux de commutation élevés

Avec tout cela à l'esprit, ma première tentative est illustrée ci-dessous. Il convient de noter que la fréquence de commutation maximale (se produisant à$V_{out}=max$) est d'environ 420 kHz. Pour référence, l'épaisseur des traces est la suivante: N $ 6 est de 1,68 mm (sera probablement rendu plus épais car il y a beaucoup d'espace), VOUT allant à la borne de sortie J4 est de 3 mm et les petites traces de signal sont de 0,254 mm. L'utilisation du calculateur de largeur de trace en ligne donne une augmentation de température de ~ 23 ° C sur les traces de 1,68 mm.

Ce n'est pas le design le plus récent, il est laissé ici pour la narration, voir EDIT Affichage de la taille des boucles:

Les principales préoccupations que j'ai sont:

• Ces épaisseurs de traces sont-elles dans le bon stade?
• J'ai minimisé les boucles du mieux que je peux mais si c'est un mauvais travail, faites le moi savoir
• Les deux vias sous le LM 5085 sont nécessaires pour connecter la borne d'entrée J3 à la couche supérieure GND vers. La seule façon que je vois pour éviter cela serait d'utiliser à la place des vias sur la trace FB (provenant de CFF vers le LM5085) pour permettre à une trace de couche supérieure de s'exécuter de J3 au plan de masse de la couche supérieure. Je n'ai pas opté pour que , dans la configuration actuelle , car il est nécessaire que les besoins de traces de FB à conserver l' écart du bruit, la figure 7-c sur le guide de mise en page ci - dessus ici ne permet toutefois l' utilisation de vias alors peut - être cela est possible? Quelle devrait être ma priorité ici? connexion FB directe sur une couche ou connexion de la masse à la borne d'entrée sans vias?
• Le signal de grille contient également 2 vias pour permettre au plan de masse d'atteindre les condensateurs d'entrée et la diode, l'alternative serait de l'avoir comme juste une trace de couche supérieure et d'utiliser un via pour connecter les condensateurs à la couche inférieure GND pour la couche. Qu'est-ce qui est pire pour la performance ici? connecter des capuchons d'entrée à GND via via / s ou avoir deux vias sur un signal fonctionnant à 420 kHz?
• S'il y a autre chose que j'ai oublié ou que je pourrais simplement améliorer?

Je sais que cela a été une longue lecture, alors merci beaucoup pour toute aide et suggestions, je publierai les résultats une fois le test terminé!

EDIT 1

Après avoir regardé la disposition de la carte d'évaluation liée, j'ai refait la carte, en essayant de ne faire que les ajustements nécessaires: le diagramme schématique d'origine a été mis à jour pour une nouvelle configuration, j'utilise maintenant la configuration "niveau d'ondulation réduit".

Modifications des composants:

• $C_{out}$ sont maintenant en céramique
• L'inductance est désormais SMD et de plus petite taille
• Élimination du potentiomètre obsolète ($R_{FB1}$)
• Valeurs pour $C_{in}$ changé, inclut désormais un bouchon de dérivation
• Changement du package Q1 à to220 pour permettre un meilleur dissipateur thermique (partagé par D1)

S'adressant à @Ali Chen Re: "quel est le but de la conception? Pour 1.25V, il y aura un optimum assez différent de celui pour une sortie 15V"

Le but est de construire un SMPS qui peut fonctionner de manière similaire à une alimentation de paillasse, mais qui peut être inclus dans un projet plus vaste. Vous avez raison de dire que l'ensemble de valeurs de composants le plus optimal sera différent pour différentes sorties mais pour mon objectif, il suffit que le projet fonctionne, obtenir une efficacité maximale / une ondulation de sortie minimale, etc. n'est pas ma priorité.

Mon raisonnement pour les valeurs des composants (et corrigez-moi si c'est faux) a été d'utiliser Excel pour donner des chiffres clés sur la plage de sortie de 1,25 à 15 V ($V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$ etc.) puis en les comparant aux exigences des régulateurs (par ex. $V_{FB(ripp)} > 25mV$) pour trouver des valeurs de composants qui fonctionneraient pour toutes les sorties.

Je serais heureux de recevoir des commentaires sur ce nouveau design, mes nouvelles préoccupations sont les suivantes:

• Les connexions Kelvin sont-elles $R_{sns}$ acceptable?
• Thermiques vs pas de thermiques? la disposition sur la carte d'évaluation n'utilise pas de thermiques, je les ai utilisés pour la plupart des connexions. Est-ce que ça va aussi longtemps que la combinaison de toutes les traces entrant dans le pad peut gérer le courant?
• D'autres réflexions?

EDIT 2

En suivant les conseils de @winny, j'ai réduit la taille de la mise en page en montant D1 et Q1 dos à dos. Il a également été suggéré de rapprocher Cin de Q1, j'ai donc essayé cela. Cin1 est la position d'origine de l'électrolyte telle que régie par la disposition de la carte d'évaluation . Cin4 est ma tentative de le rapprocher, est-ce une meilleure position pour lui? Ou son terminal au sol est-il maintenant trop éloigné des boucles? Enfin, l'efficacité de l'utilisation d'une électro à des fréquences allant jusqu'à 420 kHz a été mise en doute. Cette carte a une sortie de 1,25 à 15 V, ce qui signifie que sa fréquence se situera quelque part dans la plage 40-420 kHz, donc je m'attends à ce que l'électro aide à réduire l'ondulation aux sorties inférieures. (Envisagez également d'ajuster la plage de fréquences à 20-200 kHz)

Votre question est extrêmement vague, c'est probablement pourquoi personne n'y a répondu.

Donc, je vais présumer que vous avez l'intention que votre question soit plus ou moins ces deux questions spécifiques:

1. Cela fonctionnera-t-il?

Non, cela ne fonctionnera pas, pour des raisons sans rapport avec votre mise en page.

Vous êtes tombé dans le piège communément compréhensible de confondre «réglable» pour signifier «variable / variable». Un régulateur de sortie réglable signifie qu'au lieu d'une tension de sortie fixe, vous pouvez régler la tension de sortie fixe à laquelle il se régulera. Il n'y a aucune implication qu'il fonctionnera bien, ou même pas du tout, dans une application de tension de sortie variable . Bien entendu, une variation signifie que la tension de sortie régulée variera pendant le fonctionnement. Tout moyen réglable est que vous pouvez régler une sortie fixe. Il est toujours fixe pendant le fonctionnement. C'est pourquoi tous les exemples de la fiche technique, ainsi que la carte d'évaluation, ont des sorties fixes.

Maintenant, le terme «réglable» n'implique pas non plus qu'il ne peut pas être utilisé dans une application de sortie variable. Mais il est important de comprendre que si une pièce est réglable, il n'y a aucune raison de penser que vous pouvez faire varier la sortie pendant son fonctionnement, ou que la pièce est conçue ou conçue pour le faire. Vous devez déterminer cela partie par partie.

Vous avez sélectionné un contrôleur hystérétique à temps constant (COT), ce qui est un bon choix pour une sortie variable, mais cette partie n'a pas été conçue dans cet esprit. Les contrôleurs COT sont extrêmement sensibles au bruit dans leur chemin de rétroaction. Normalement, un COT conçu pour une sortie variable aura une broche de contrôle dédiée qui ne sera pas directement dans le chemin de rétroaction, atténuant une grande partie de cette sensibilité (le moyen spécifique dépend de la pièce). Il n'y a pas de telle broche sur le LM5085.

Cela est important car un contrôleur COT ne tolérera presque certainement pas un racleur de carbone bruyant qui racle littéralement, mécaniquement, avec plus de carbone avec les détritus des doigts et les restes de chat (ou autre) qui ont fait leur chemin sur lesdites surfaces d'essuie-glace. Un contrôleur hystérétique est, en son cœur, un oscillateur comparateur, ce qui en fait un gain extrêmement élevé et affecté par un bruit qui ne serait même pas enregistré dans un amplificateur d'erreur en mode courant plus courant. Il ne tolérerait probablement même pas un potentiomètre assis là, sans être ajusté pendant le fonctionnement non plus. Si vous le placez suffisamment loin pour qu'il ne se couple pas de manière capacitive ou absorbante (comme dans une antenne) à votre nœud de commutation, vos traces sont de toute façon trop longues et agissent comme de merveilleuses antennes de lecture auto-EMI.

Si vous souhaitez faire varier la sortie de ce contrôleur, vous devez le faire sans substance électromécanique bruyante (aucune pièce mobile autorisée!) Ou sans modifier la résistance réelle du chemin de rétroaction. Vous devrez utiliser l'injection de courant, probablement avec un DAC de sortie de courant. Oui, c'est un défi de taille. Non, il n'y a aucun moyen de contourner cela. C'est cela ou choisissez un contrôleur PWM en mode courant plus traditionnel.

Il convient de mentionner que l'injection de courant n'est pas spécifique aux COT, mais peut être utilisée comme une méthode très efficace, fiable et à faible bruit pour varier la tension de sortie de n'importe quel contrôleur, par elle linéaire, PWM, hystérétique, etc.C'est assez universel.

Et, c'est en fait une chance hilarante, il y a en fait un article de blog de TI montrant exactement ce que j'ai décrit avec votre partie exacte! Yay!

Deuxième question:

2. Quelles directives devez-vous suivre lors de la mise en place d'un convertisseur abaisseur?

Donc, vous vous inquiétez surtout des mauvaises choses, ou vous vous inquiétez beaucoup des choses qui n'ont pas beaucoup d'importance, et vous vous inquiétez très peu des choses qui le font.

Tout d'abord, quelques notes rapides:

1. 5A n'est pas un courant vraiment élevé, et votre courant de sortie n'indique pas vraiment grand-chose sur les courants qui se produiront dans un circuit. Dans un convertisseur abaisseur, il y aura généralement plusieurs fois le courant de sortie se produisant dans certaines zones.

2. Rien sur votre carte n'est haute fréquence / fréquence plus élevée. La haute fréquence, dans le contexte de la mise en page, commence dans les centaines de mégahertz et plus. Rien de mesuré en kilohertz ne se trouve à l'intérieur même de deux ordres de grandeur de haute fréquence.

3. Je pense que vous confondez la sonnerie induite par le dV / dT et votre fréquence de commutation. Lorsque diverses notes d'application de disposition pour les commutateurs parlent de hautes fréquences, cela n'a rien à voir avec votre fréquence de commutation. En effet, le même convertisseur à 400KHz sonnera aux mêmes fréquences qu'à 40KHz.

L'EMI / bruit haute fréquence dont il est question dépend du temps de montée, dV / dT, de vos commutateurs (MOSFET et diode, dans votre cas), et des inductances et capacités parasites impliquées dans votre nœud de commutateur. Rappelez-vous, vous avez une capacité parasite de tout à tout (s'il y a un diélectrique / isolant entre les deux), et tout ce qui est conducteur est également un inducteur. Qu'obtenez-vous si vous avez un condensateur ou une inductance en série, ou en parallèle, ou simplement en vous regardant de façon amusante? Oui, vous obtenez un char résonnant LC. Habituellement, la capacité parasite est trop petite pour être importante, mais la capacité d'entrée de votre MOSFET, ainsi que les condensateurs d'entrée qui transfèrent des dizaines d'amplis directement à travers le MOSFET dans votre nœud de commutateur qui se connecte à un fil de l'inductance ... ils importe vraiment. Et ils'

La plupart du temps, ils passent inaperçus car il faut une frappe extrêmement rapide pour sonner une telle cloche. Malheureusement, notre MOSFET est à peu près idéal pour frapper cette cloche et l'amener à sonner. Plus le temps de montée est rapide, plus la fréquence est forte et élevée. Vous pouvez l'activer 40 000 fois par seconde, ou 400 000 fois par seconde, mais il s'allume aussi vite et aussi fort à chaque fois, peu importe le nombre de fois que vous actionnez le commutateur par seconde. C'est ce que je veux dire par votre fréquence de commutation non pertinente.

Dans un convertisseur abaisseur, votre principale préoccupation est l' entrée et non la sortie. Par-dessus tout, vous voulez placer vos condensateurs d'entrée aussi près que possible du commutateur côté haut et côté bas. Ceci est votre nœud de commutation. Celui qui sonne. Et le plus près possible signifie le plus près possible. 1 nanohenry fera une différence significative. Oui, 1 nanohenry. Chaque millimètre compte.

Vous souhaitez également que les masses de vos condensateurs de sortie soient aussi proches que possible des masses de vos condensateurs d'entrée. Mais c'est secondaire, et quelque chose à optimiser sans jamais se faire au détriment de la proximité des condensateurs d'entrée avec vos commutateurs. Les convertisseurs Buck fonctionnent en aspirant d'énormes mais brèves gorgées de courant à l'entrée qui précèdent la rampe de courant inductive plus lente qui constitue un cycle de notre courant d'ondulation.

Donc, bien sûr, ces pièces TO-220 doivent disparaître. Ce plomb et ce fil de connexion ajoutent probablement 5 nanohenries à eux seuls! Vous avez besoin d'un bel ensemble de montage en surface avec des inductances drain / source mesurées en centaines de picochenries. Pas un TO-220 volumineux qui pourrait tout aussi bien être un gratte-ciel avec la hauteur et la distance sur lesquelles il se trouve. Des millimètres gaspillés.

Oh, et les seuls condensateurs qui comptent sont vos céramiques. Les électrolytes ont trop d'ESL, ils sont entièrement résistifs à 100KHz, ou 150KHz si vous utilisez des types haute fréquence, et ne peuvent filtrer que le courant d'ondulation même si la fréquence est suffisamment basse. Rappelez-vous à quelle vitesse et à quel point le MOSFET s'allume? Les électrolytes sont totalement incapables de décharger la charge aux temps de montée en nanosecondes demandés par le commutateur. Leur inductance l'empêche, alors même s'ils n'ont même pas libéré la première paire de charges de leurs plaques, ce commutateur a baissé votre tension (sans tampon capacitif capable de réagir) et votre ondulation de commutation a tiré tout ce qu'ils ont dans ce qui alimente votre convertisseur DC / DC. Aux basses fréquences, il y aura ces harmoniques à haute fréquence qui passeront directement à travers les électrolytes efficacement non atténuées.

Les électrolytes doivent atténuer les chutes de basses fréquences et fournir un découplage important, mais ils sont inutiles n'importe où près de votre boucle de commutation principale, et même à des fréquences plus basses, ils devraient toujours avoir un condensateur en céramique devant eux, le plus proche de votre nœud de commutation.

La céramique est la seule chose qui a une capacité, en ce qui concerne le bruit dont vous devez vous soucier (au moins d'un commutateur).

Maintenant, aucune de ces choses n'empêchera nécessairement votre circuit de fonctionner. Et ce n'est pas un guide complet ou détaillé, mais encore une fois, je réponds à une vague question et ne peux donc que donner des réponses vagues. J'espère que cela vous donne une meilleure image de ce qui se passe au moins et devrait servir de bon point de départ pour continuer à apprendre.

Je peux éditer cette question plus tard et ajouter une liste plus exhaustive, mais je dois me coucher pour l'instant. Désolé!