Teljesítményelektronikai ötletek (57. rész) – Tápegységek földelésének NyÁK-megoldásai

A nyomtatott áramkör nem egyszerű hordozólap, hanem az áramkör minőségét lényegesen befolyásoló, kényes alkatrész. Ezt bizonyítja Robert sorozatának e havi cikke is, amely a tápegységek földelésének kialakítására fogalmaz meg javaslatokat.

Ha heves vitát akarunk provokálni teljesítményelektronikai mérnökök között, elég feltenni nekik a kérdést, hogyan alakítják ki a tápegység földelőrendszerét. Gyorsan kiderül, hogy két alapvető stratégia létezik. Mindegyik oldal szidja a másik megközelítést, amelynek „esélye sincs, hogy működjön”, miközben precízen emlékszik arra, milyen kiválóan működött a legutóbbi saját tervezésű áramköre.

Az első megközelítés az egypontos, vagy más néven csillagföldelésen alapul (1. ábra). Eszerint úgy kell irányítani az áramokat, hogy kézben lehessen tartani a vezetékekben keletkező, nagy változási sebességű (nagy di/dt-jű) áramok hatását. Az egypontos földelést a vezérlő integrált áramkör földpontján kell megvalósítani, és minden áram, ami a földelőrendszerben keletkezik, ebbe a pontba folyik bele. Ez a módszer nem engedi, hogy a nagyfrekvenciás, nagy változási sebességű áram érzékeny útvonalakon, például az IC hidegítőkondenzátorain, időzítőelemeken vagy analóg áramköri csatlakozásokon át folyjon. Sajnos azonban ez a megoldás jelentősen rontja az áramkör minőségét a hosszú áramvezető sávok induktivitása következtében.

1. ábra Egy egyszerű csillagpontos földelési stratégia jelentős induktivitásnövekedést okoz a kapcsoló forráselektródáján

Például az 1. ábrán a csillagföldelés miatt növekszik a tranzisztor forráselektródájának induktivitása. A tranzisztor kapcsolási sebességét ez az induktivitás határozza meg. Amint a tranzisztor megpróbál kikapcsolni, a di/dt-vel arányos indukált feszültség megemeli a forráselektróda feszültségét, és ezáltal csökkenti a kapu- és a forráselektróda között mérhető meghajtófeszültséget. Ez lassítja a kapcsolási sebességet, amely miatt pedig csökken a hatásfok. A megnövekedett induktivitás ugyancsak torzítja az áramérzékelő feszültségét, mivel hamis jelet generál a csúcsáram-üzemmódú szabályozás számára a felfutó élen megjelenő feszültségtüskék révén.

Az egypontos földelési séma egy módosított változata látható a 2. ábrán. Itt a nagyáramú csatlakozópontokat és a kis jelszintű analóg áramköri csatlakozásokat egymástól elkülönítve földeltük, és ezeket egyesítettük egy pontban. Ennek számos előnye van:

• minimalizálja a nagyteljesítményű részeknek a földbe befolyó áramát,

• csökkenti a nagyáramú jelutak által körülzárt hurok területét, amely miatt kevesebb elektromágneses zavar (EMI) keletkezik, és növekszik a kapcsolási sebesség,

• külön analóg földpontot hoz létre, amely minimalizálja az időzítő és vezérlő áramkörökre ható zajt.

2. ábra Az egypontos földelésnek ez a változata korlátozza a nagyfrekvenciás áramok kialakulását

Amikor ezt a kétféle földelést tervezik a mérnökök, van egy dolog, ami gyakran elkerüli a figyelmüket: nevezetesen, hogy a rendszerben egynél több okból is folyhatnak áramok. Vannak a tápegység magától értetődő saját áramai, és vannak kevésbé maguktól értetődők, mint a villámcsapások elleni védettség vizsgálatakor indukált áramok, amelyek az áramkör olyan vezetőpályáin folynak, amelyre nem számítunk. Ezeket az egypontos földelési megoldásokat gyakran egyrétegű nyomtatott áramkörökben használják, amikor is jelentős induktivitásokat iktatnak be a földelési áramutakba. Ezek megfelelőségi problémák okozóivá válhatnak. A villámcsapás hatásai elleni védettség vizsgálatakor használt nagy áramváltozási sebesség (di/dt) jelentős nagyságú feszültségeket generálhat a csillagpontos földelési rendszer hosszú vezetékeiben, amelyek károsíthatják a tápegység alkatrészeit.

A másik földelési rendszer a földsík kialakítása, amely csak a többrétegű nyomtatott áramköri lapokon valósítható meg. Ha egyetlen földsíkunk van, az összes földpontot egyszerűen ehhez csatlakoztathatjuk, anélkül, hogy elválasztanánk egymástól a kisjelű analóg és a nagyáramú földeléseket. A cél az, hogy minimalizáljuk az összes földcsatlakozás induktivitását és ellenállását. Ebben a megközelítésben azáltal szabadulunk meg a csillagpontos földeléssel járó gondos tervezési munkától, hogy újabb vezetőréteggel (vagy rétegekkel) bővítjük a nyomtatott áramkört.
A földsík második előnye, hogy a hurokterület csökkentésével csökkenti a vezetékek induktivitását. Ez növeli a kapcsolási sebességet, és csökkenti a vezetékek akaratlan kölcsönhatását (az áthallást). A földelősík végül csökkenti azokat a “közelségi hatásokat” is, amelyeket a nagyfrekvenciás és/vagy nagyáramú vezetékek okoznak, ha azok az élük helyett a széles felületükkel fordulnak szembe egymással.

Összegzés

Az egypontos földelésnek az a változata, amely különválasztja a jelföldeket a nagyáramú földelésektől, megfelelő megoldás, különösen az egyrétegű nyomtatott áramkörök esetén. Ha viszont „ész nélkül” valósítjuk ezt meg, figyelembe kell venni a nagyáramú vezetékeknél jelentkező kényszereket és korlátozásokat. Ráadásul külön figyelmet kell fordítani arra, hogy az áramkör hogyan viselkedik a villámcsapásokat szimuláló teszteknél, mivel a hosszú, vékony földsávok jelentős induktivitással rendelkeznek. Az egyrétegű NyÁK-lapok gyakran problémák forrásai lehetnek a zajkibocsátásban is, ezért gyakran több változatot is kell készíteni, míg a zajkibocsátás szempontjából megfelelő megoldást megtaláljuk. Ha megengedhetjük magunknak a többrétegű áramkör luxusát, használjunk egy vagy több földsíkot, és fordítsunk némi gondot arra, hogy minimalizáljuk rajtuk a nagyfrekvenciás áramkomponenseket, és csökkentsük az alkatrészek közötti összeköttetések induktivitását is. Általános tapasztalat, hogy többrétegű NyÁK-lapot használva kevesebb változatot kell elkészíteni a végleges megoldás megtalálásához.

A sorozat következő részében áttekintünk néhány „klasszikus” hibát, amiket el szokás követni a tápegységek NyÁK-tervezésénél.

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: