Consideraciones de enrutamiento para un convertidor de dinero

Estoy buscando construir un convertidor reductor de salida ajustable con los siguientes requisitos:

• Salida 1.25-15V
• Entrada 20-24 V
• Corriente máxima 5A (con limitación)
• Ondulación de salida máxima de 100 mV (preferible pero menos crucial)
• Área de PCB de 50x50 mm

Usando el LM5085 IC: hoja de datos , creo que tengo un diseño que funcionará. El diseño que he elegido es el esquema de "aplicación típica" en la página 1 de la hoja de datos, con la adición de una resistencia de detección: estoy bastante seguro de mi elección de valores para los componentes simplemente siguiendo las ecuaciones a lo largo de la hoja de datos (nota:$C_{OUT1}$ y $C_{OUT2}$ no se muestran valores, ya que están allí para las necesidades de cualquier proyecto futuro con diferentes restricciones de paquetes de condensadores).

NOTA : No he incluido el cálculo de los valores de los componentes porque no era el alcance de la pregunta, aunque los valores se pueden ver en el diagrama esquemático. Si por alguna razón son necesarios, puedo proporcionar una edición con todo mi trabajo.

Mi primera pregunta es sobre $R_{adj}$, como se muestra en el ejemplo de diseño en la página 18-19 de la hoja de datos, la compensación del comparador del límite de corriente y la tolerancia de hundimiento del pin ADJ pueden hacer que el valor del límite de corriente real se encuentre en un rango bastante grande. ¿Hay algún problema si tuviera que irme?$R_{adj1}$ como circuito abierto, conecte una carga de salida que dibujará ~ 6A, luego ajuste el valor del trimpot $R_{adj2}$ hasta que la corriente se limita a 5A?

El resto de mis preguntas son sobre el diseño del tablero. Este es mi primer PCB con frecuencias más altas y corrientes más grandes, así que espero tener mucho que aprender. Utilizando el ejemplo de diseño en la página 23, esta guía , así como otras preguntas publicadas sobre el enrutamiento con altas frecuencias, altas corrientes y enrutamiento alrededor de inductores, entiendo lo siguiente:

1. Debe minimizar el loop1: $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. Debe minimizar el loop2: $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. Conexión desde $R_{sns}$ al pin ISEN debe ser una conexión Kelvin
4. Evite todos los rastros y vertidos que se ejecutan debajo del inductor cuando sea posible para minimizar el ruido / corriente inducido
5. Las trazas de alta corriente de transporte deben ser gruesas y cortas
6. Mantenga la traza de retroalimentación lejos del inductor y otras trazas ruidosas
7. Evite usar vías siempre que sea posible para señales de conmutación altas

Con todo esto en mente, mi primer intento se muestra a continuación. Vale la pena señalar que la frecuencia de conmutación máxima (que ocurre en$V_{out}=max$) es de aproximadamente 420kHz. Como referencia, el grosor de las trazas es: N $ 6 es 1.68 mm (probablemente se hará más grueso ya que hay mucho espacio), VOUT que va al terminal de salida J4 es de 3 mm, y las pequeñas trazas de señal son de 0.254 mm. El uso de la calculadora de ancho de seguimiento en línea da un aumento de temperatura de ~ 23C en los trazos de 1.68 mm.

Este no es el diseño más reciente, se deja aquí para contar historias, vea EDITAR mostrando el tamaño de los bucles:

Las principales preocupaciones que tengo son:

• ¿Están estos trazos de grosor en el estadio correcto?
• He minimizado los bucles lo mejor que puedo, pero si es un mal trabajo, hágamelo saber
• Las dos vías debajo del LM 5085 son necesarias para conectar el terminal de entrada J3 a la capa superior GND pour. La única forma en que veo para evitar esto sería usar vías en el trazado FB (que viene de CFF al LM5085) para permitir que un rastro de la capa superior se ejecute desde J3 hasta el plano de tierra de la capa superior. No he optado por eso en el diseño actual porque se requiere que la traza FB deba mantenerse alejada del ruido, la Figura 7-c en la guía de diseño mencionada aquí, sin embargo, hace uso de vías, ¿tal vez esta sea una posibilidad? ¿Cuál debería ser mi prioridad aquí? ¿Conexión directa de FB en una capa o conexión a tierra al terminal de entrada sin vias?
• La señal de puerta también contiene 2 vías para permitir que el plano de tierra llegue a los condensadores de entrada y al diodo, la alternativa sería tenerlo solo como un rastro de la capa superior y usar una vía para conectar los condensadores al vertido GND de la capa inferior. ¿Qué es peor para el rendimiento aquí? conectando tapas de entrada a GND a través de / s o teniendo dos vías en una señal que funciona a 420 kHz?
• ¿Si hay algo más que he pasado por alto o podría mejorar?

Sé que esta fue una lectura larga, así que muchas gracias por cualquier ayuda y sugerencia. ¡Publicaré los resultados cuando el dinero esté terminado y probado!

EDITAR 1

Después de mirar el diseño de la placa de evaluación vinculada, he rehecho la placa, tratando de hacer solo los ajustes necesarios: el diagrama esquemático original se ha actualizado a la nueva configuración, ahora estoy usando la configuración de "nivel de ondulación reducido".

Cambios de componentes:

• $C_{out}$ ahora son de cerámica
• Inductor ahora es SMD y un tamaño de paquete más pequeño
• Recortador obsoleto eliminado ($R_{FB1}$)
• Valores para $C_{in}$ cambiado, ahora incluye tapa de derivación
• Se cambió el paquete Q1 a to220 para permitir un mejor disipador de calor (compartido por D1)

Dirigiéndose a @Ali Chen Re: "¿ Cuál es el propósito del diseño? Para 1.25V habrá un óptimo óptimo que para la salida de 15V"

El propósito es construir un SMPS que pueda funcionar de manera similar a un suministro de sobremesa, pero puede incluirse en un proyecto más grande. Tiene razón en que el conjunto más óptimo de valores de componentes será diferente para diferentes resultados, pero para mi propósito es suficiente que el proyecto funcione, obtener la máxima eficiencia / mínimo rizado de salida, etc., no es mi prioridad.

Mi línea de pensamiento para los valores de los componentes (y corríjame si esto está mal) ha sido usar Excel para dar cifras clave sobre el rango de salida de 1.25-15V ($V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$ etc.) luego comparándolos con los requisitos de los reguladores (p. ej. $V_{FB(ripp)} > 25mV$) para encontrar valores de componentes que funcionen para todas las salidas.

Agradecería cualquier comentario sobre este nuevo diseño, mis nuevas preocupaciones son:

• ¿Están las conexiones Kelvin en $R_{sns}$ ¿aceptable?
• Térmicas vs no térmicas? el diseño en la placa de evaluación no usa térmicas, las he usado para la mayoría de las conexiones. ¿Estará bien siempre y cuando la combinación de todos los rastros que entran en la plataforma pueda manejar la corriente?
• ¿Alguna otra idea?

EDITAR 2

Siguiendo el consejo de @winny, reduje el tamaño del diseño montando D1 y Q1 de forma consecutiva. También se sugirió acercar a Cin a la Q1, así que lo he intentado. Cin1 es la posición original del electrolítico según el diseño del tablero de evaluación . Cin4 es mi intento de acercarlo, ¿es esta una mejor posición para ello? ¿O su terminal de tierra ahora se encuentra demasiado lejos de los bucles? Por último, se cuestionó la efectividad del uso de un electro a frecuencias de hasta 420kHz. Esta placa tiene una salida de 1.25-15V, lo que significa que su frecuencia estará en algún lugar en el rango de 40-420kHz, por lo que espero que el electro ayude a reducir la ondulación en las salidas más bajas. (También considerando ajustar el rango de frecuencia a 20-200kHz)

Su pregunta es extremadamente vaga, por lo que probablemente nadie la haya respondido.

Por lo tanto, supongo que tiene la intención de que su pregunta sea más o menos estas dos preguntas específicas:

1. ¿Funcionará?

No, no funcionará, por razones irrelevantes para su diseño.

Has caído en la trampa entendiblemente común de confundir "ajustable" con "variable / variable". Un regulador de salida ajustable significa que, en lugar de un voltaje de salida fijo, puede ajustar el voltaje de salida fijo al que se regulará. No hay ninguna implicación de que funcionará bien, o incluso en absoluto, en una variedad de aplicación de voltaje de salida . Variando, por supuesto, significa que el voltaje de salida regulado variará durante la operación. Todos los medios ajustables son que puede ajustar una salida fija. Todavía se repara durante la operación. Es por eso que todos los ejemplos en la hoja de datos, así como la placa de evaluación, tienen salidas fijas.

Ahora, el término 'ajustable' tampoco implica que no pueda usarse en una aplicación de salida variable. Pero es importante comprender que si una parte es ajustable, no hay razón para pensar que puede variar la salida mientras está en funcionamiento, o que la parte está destinada o diseñada para hacerlo. Tienes que determinar eso parte por parte.

Ha seleccionado un controlador de histéresis constante de tiempo de funcionamiento (COT), que es una buena opción para una salida variable, pero esta parte no fue diseñada teniendo esto en cuenta. Los controladores COT son extremadamente sensibles al ruido en su ruta de retroalimentación. Normalmente, un COT diseñado para salida variable tendrá un pin de control dedicado que no estará directamente en la ruta de retroalimentación, mitigando mucha de esta sensibilidad (los medios específicos dependen de la parte). No hay tal pin en el LM5085.

Esto es importante porque un controlador COT seguramente NO tolerará tener un limpiador de carbón ruidoso, literalmente, raspando, mecánicamente, más carbono con cualquier detrito de los dedos y restos de gatos (o lo que sea) que hayan llegado a dichas superficies de limpiaparabrisas. Un controlador de histéresis es, en esencia, un oscilador de comparación, por lo que tiene una ganancia extremadamente alta y se ve afectado por un ruido que ni siquiera se registraría en un amplificador de error de modo de corriente más común. Probablemente ni siquiera toleraría un potenciómetro simplemente sentado allí, sin ser ajustado durante la operación. Si lo coloca lo suficientemente lejos como para que no se acople capacitiva o absorbentemente (como en una antena) a su nodo de conmutación, sus trazas son demasiado largas de todos modos y actúan como maravillosas antenas de captación de auto-EMI.

Si desea variar la salida de este controlador, debe hacerlo sin ruidos electromecánicos (¡no se permiten piezas móviles!) O sin variar la resistencia real de la ruta de retroalimentación. Necesitará usar inyección de corriente, probablemente con un DAC de salida de corriente. Sí, eso es una tarea difícil. No, no hay forma de evitarlo. Es eso o elegir un controlador PWM en modo actual más tradicional.

Vale la pena mencionar que la inyección de corriente no es específica de los COT, pero puede usarse como un método muy efectivo, confiable y de bajo ruido para variar el voltaje de salida de CUALQUIER controlador, ya que es lineal, PWM, histéresis, etc. Es bastante universal.

Y, en realidad, es una suerte ridículamente tonta, ¡en realidad hay una publicación de blog de TI que demuestra hacer exactamente lo que he descrito con tu parte exacta! ¡Hurra!

Segunda pregunta:

2. ¿Qué pautas debes seguir al diseñar un convertidor de dinero?

Por lo tanto, se preocupa principalmente por las cosas incorrectas, o se preocupa mucho por las cosas que no importan mucho, y se preocupa muy poco por las cosas que sí importan.

Primero, algunas notas rápidas:

1. 5A no es una corriente realmente alta, y su corriente de salida en realidad no indica mucho sobre qué corrientes ocurrirán en un circuito. En un convertidor reductor, generalmente habrá muchas veces la corriente de salida en ciertas áreas.

2. Nada en su placa es de alta frecuencia / frecuencia más alta. La alta frecuencia, en el contexto del diseño, comienza en cientos de megahercios o más. Nada medido en kilohercios está dentro de dos órdenes de magnitud de alta frecuencia.

3. Creo que confunde el timbre inducido por dV / dT y su frecuencia de conmutación. Cuando varias notas de la aplicación de diseño para conmutadores hablan de frecuencias altas, esto no tiene nada que ver con su frecuencia de conmutación. De hecho, el mismo convertidor a 400KHz sonará a las mismas frecuencias que a 40KHz.

El EMI / ruido de alta frecuencia del que se habla depende del tiempo de aumento, dV / dT, de sus interruptores (MOSFET y diodo, en su caso), y las inductancias y capacitancias parásitas involucradas en su nodo de interruptor. Recuerde, tiene capacitancia parásita de todo a todo (si hay un dieléctrico / aislante en el medio), y cualquier cosa conductora también es un inductor. ¿Qué obtienes si tienes un condensador o inductor en serie, o en paralelo, o simplemente mirándote de manera divertida? Sí, obtienes un tanque resonante LC. Por lo general, la capacitancia parásita es demasiado pequeña para importar, pero la capacitancia de entrada de su MOSFET, así como los capacitores de entrada que descargan docenas de amperios directamente a través del MOSFET en el nodo del interruptor que se conecta a un cable del inductor ... Definitivamente importa. Y ellos'

La mayoría de las veces, pasan desapercibidas porque se necesita un golpe tremendamente rápido para hacer sonar una campana. Desafortunadamente, nuestro MOSFET es ideal para tocar esta campana y hacer que suene. Cuanto más rápido es el tiempo de subida, más fuerte y más alta es la frecuencia del anillo. Puede encenderlo 40,000 veces por segundo, o 400,000 veces por segundo, pero se enciende tan rápido y tan fuerte cada vez, sin importar cuántas veces mueva el interruptor por segundo. Esto es lo que quiero decir con que su frecuencia de conmutación no sea relevante.

En un convertidor de dinero, su principal preocupación es la entrada , no la salida. Por encima de todo, desea colocar sus condensadores de entrada lo más cerca posible del interruptor del lado alto y del lado bajo. Este es su nodo de conmutación. El que suena. Y lo más cerca posible significa lo más cerca posible. 1 nanohenry hará una diferencia significativa. Sí, 1 nanohenry. Cada milímetro importa.

También desea que las bases de sus condensadores de salida estén lo más cerca posible de las bases de sus condensadores de entrada. Pero esto es secundario, y es algo que debe optimizarse sin estar a expensas de la proximidad de los condensadores de entrada a sus interruptores. Los convertidores reductores funcionan absorbiendo enormes pero breves tragos de corriente en la entrada que precede a la rampa de corriente inductiva más lenta que constituye un ciclo de nuestra corriente de ondulación.

Entonces, por supuesto, esas partes TO-220 deben irse. ¡Ese cable y cable de conexión probablemente agreguen 5 nanohenries solo! Necesita un buen paquete de montaje en superficie con inductancias de drenaje / fuente medidas en cientos de picohenries. No un voluminoso TO-220 que bien podría ser un rascacielos con lo alto y lejano que se encuentra en esos cables. Milímetros desperdiciados.

Ah, y los únicos condensadores que importan son sus cerámicas. Los electrolíticos tienen demasiado ESL, son completamente resistivos a 100KHz o 150KHz si usa tipos de alta frecuencia, y solo pueden filtrar la corriente de ondulación incluso si la frecuencia es lo suficientemente baja. ¿Recuerdas lo rápido y duro que se enciende MOSFET? Los electrolíticos son totalmente incapaces de descargar la carga en el aumento de nanosegundos veces que exige el interruptor. Su inductancia lo impide, por lo que si bien ni siquiera han liberado el primer par de carga de sus placas, ese interruptor ha bajado su voltaje (sin que el búfer capacitivo pueda reaccionar) y su ondulación de conmutación los ha disparado a todo lo que está alimentando su convertidor DC / DC. A bajas frecuencias, habrá estos armónicos de alta frecuencia que pasarán directamente a través de electrolíticos efectivamente sin atenuar.

Los electrolíticos deben suavizar la caída de baja frecuencia y proporcionar un gran desacoplamiento masivo, pero son inútiles en cualquier lugar cerca de su bucle de conmutación primario, e incluso a frecuencias más bajas, aún deben tener un condensador de cerámica por delante, más cerca de su nodo de conmutación.

La cerámica es lo único que tiene capacitancia, en lo que respecta al ruido del que debe preocuparse (al menos desde un conmutador).

Ahora, ninguna de estas cosas necesariamente impedirá que su circuito funcione. Y esta no es una guía completa o detallada, pero de nuevo, estoy respondiendo una pregunta vaga y, por lo tanto, solo puedo dar respuestas vagas. Afortunadamente, eso le dará una mejor idea de lo que está sucediendo al menos, y debería servir como un buen punto de partida para continuar aprendiendo.

Puedo editar esta pregunta más tarde y agregar una lista más exhaustiva, pero necesito irme a la cama por ahora. ¡Lo siento!