Teljesítményelektronikai ötletek (55. rész) - NyÁK-vezetősávok induktivitásának becslése

A nyomtatott áramköri lapok vezetősávjai nem „ekvipotenciális pontok”. A kapcsolóüzemű teljesítményelektronikai áramkörök tervezésekor nem mindig elegendő ezek induktivitásának minimumára törekedni, hanem, például szimulációknál és részletes tervezésnél – legalább egy jó becsléssel – figyelembe is kell venni annak értékét. Ehhez segít hozzá Robert e havi cikke.

Nemritkán a nyomtatott áramköri lap (NyÁK) vezetősávjainak induktivitásán áll vagy bukik egy tápegység megfelelő működése. A nagy induktivitású vezetősáv például megnövelheti egy kapcsolófet kapumeghajtó áramkörének nagy frekvencián mérhető impedanciáját, aminek hatása a tápegység hatásfokának vagy a szűrőkondenzátorok hatékonyságának csökkenésében is észlelhető. Ebben a cikkben összefoglalunk néhány egyszerű formulát, amellyel „szabadon álló” vagy földsík felett futó vezetősávok induktivitására becslés adható. Előrevetítjük a végeredményt: a földsík használata jelentősen csökkenti a vezetősáv induktivitását, ezért alkalmazása kritikus fontosságú egy tápegység optimális teljesítőképességének eléréséhez.

A legegyszerűbb vezetősáv egy téglalap alakú vezetőfelület, amely szabadon áll, tehát nincs a szigetelőlemez túloldalán más vezető felület. Ennek induktivitását az 1. ábrán látható képlettel lehet kiszámítani. Vegyük észre, hogy az induktivitás erősen függ a vezetősáv hosszától, a szélességével viszont csak logaritmikus összefüggést mutat. Érthető a törekvés, hogy tervezzük a vezetősávot olyan szélesre, ahogy csak lehet, hogy csökkentsük az induktivitását, ahogy a képletből következik, viszont a széles vezetősáv előnye logaritmikusan csökken. Ez világosan kiderül abból a táblázatból is, amely egy egyhüvelykes (25,4 mm-es) hosszúságú vezetősáv számított induktivitását tartalmazza néhány különböző szélességértéknél. Például egy 10 mil (0,254 mm) széles, 1,8 mil (70 μm) vastag, 1” (25,4 mm) hosszúságú réz fóliasáv induktivitása 24 nH. Ha a szélességet ötvenszeresére növelnénk, az induktivitás csak a negyedére csökkenne a kifejezésben szereplő logaritmusfüggvény tulajdonságai miatt.

1. ábra A szabadon álló vezetősáv induktivitása a szélesség logaritmikus függvénye

Az áramköri kártyáknál gyakran használnak földsíkot. Ez egyszerűsíti a vonalvezetést, minimalizálja a földfeszültség változásait, elektromos és mágneses árnyékolást alkot, kézben tarthatóvá teszi az impedanciákat, és segít az alkatrészek hűtésében is. Mindezen túl arra is lehetőséget ad, hogy csökkentse a NyÁK-lap vezetősávjainak induktivitását. A 2. ábra egyszerű formulát mutat egy földsík felett futó vezetősáv induktivitásának kiszámítására. A kifejezés azt mutatja, hogy lineáris kapcsolat van az induktivitás, valamint a földsíktól való távolság és a hosszúság értékeivel. Ezért minimalizálnunk kell a vezetősávot a földsíktól elválasztó távolságot, vagy növelnünk kell a vezetősáv szélességét annak érdekében, hogy a vezetősáv-induktivitást a lehetőség szerint csökkentsük. A táblázat néhány mintaszámítás eredményét mutatja, amelyek jól összehasonlíthatók az 1. ábrán látható értékekkel. Például azt találjuk, hogy egy 0,1 inch (2,54 mm) széles, szabadon álló vezetősáv induktivitása 14 nH/inch (azaz 5,5 nH/cm). Ha ugyanezt a vezetősávot egy kétoldalas, 0,06 inch (1,52 mm) vastag NyÁK-lemez túlsó oldali földsíkja felett vezetjük, 3 nH/inch (1,18 nH/cm) hosszúságegységre vonatkoztatott induktivitás adódik. Ez 5:1 arányú csökkenés, amely gyorsabb kapumeghajtókra, hatásosabb szűrőkondenzátorokra és csökkentett, a „közelségi hatásoktól” kevésbé függő áramköri veszteségre „fordítható le”. A 2. ábrán levő táblázat azt is megmutatja, hogy egy hatrétegű NyÁK-lapnál, ahol a dielektrikum vastagsága csak 0,01 inch (0,254 mm), még ennek is a hatodrészére csökken az induktivitás. Ebből jól látható, hogy a NyÁK-lap tervezésekor érdemes a földsíkot a NyÁK-felületen futó sávokhoz a lehető legközelebb elhelyezni az alkatrészeket összekötő vezetősávok induktivitásának minimalizálása érdekében.

2. ábra A földsík felett futó vezetősáv induktivitása szinte tetszőlegesen csökkenthető

Összegzés

Az egyoldalas NyÁK-ok vezetősávjainak – a földsík hiánya miatt – nagy az induktivitása. Ez a hátrány valamelyest mérsékelhető azzal, hogy az áramhurkot alkotó vezetékpárokat közel vezetjük egymáshoz. A földsíkok segítségével viszont akár nagyságrendnyi csökkenést is elérhetünk a szórt induktivitás értékében, amelynek a jelutak alacsonyabb impedanciája a következménye. Ennek eredményei a fokozott hatékonyságú kapumeghajtók, a szűrők teljesítőképességének javulása miatti kedvezőbb elektromágneses zavarsugárzás, a kisebb impedanciájú csomópontok miatt pedig a kisebb áthallás.
A sorozat következő részében ismét visszatérünk a flyback-feszültségátalakító lengéscsillapításának problémájára.

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: