PCB Блог - Влияние индуктивности компоновки печатных плат в преобразователях на эффективность

Поскольку компьютерная индустрия движется к преобразователям постоянного тока, способным выдавать до 200 А при 1 В, методы компоновки печатных плат должны соответствовать требованиям этого сложного нового преобразователя. Чтобы сравнить влияние различных дефектов проводки, мы сосредоточимся на влиянии паразитных индуктивностей в цепи, особенно связанных с истоком, стоком и затвором переключающих МОП-транзисторов. Мы построили печатную плату для тестирования преобразователя постоянного тока, который принимает 12 В постоянного тока и преобразует его в 1,3 В и выдает до 20 А. Мы используем вставную плату для сборки и можем изменить индуктивность на каждом электроде MOSFET индивидуально или одновременно в любое время. Мы решили использовать значение индуктивности в процентах от общей индуктивности специально разработанной 2-дюймовой платы, а не фактическое значение, поскольку монтажнику известна только длина конкретной дорожки, а не обязательно значение ее индуктивности.

Тестовый дизайн

Мы используем КПД преобразователя для измерения эффективности этих паразитных индуктивностей. Это связано с тем, что эффективность является стандартной мерой производительности преобразователя постоянного тока. Тест разделен на следующие части: отрегулируйте коэффициент пропорциональности каждого значения индуктивности стока, истока и затвора MOSFET и наблюдайте за влиянием на синхронный выпрямитель, измеряя эффективность преобразования. Через сочетание любых двух из вышеперечисленных, чтобы понять взаимосвязь между ними. Плата для проверки индуктивности имеет индуктивность 43 нГн и обычно устанавливается на 0%, 25%, 50% и 100%. В наших экспериментах паразитное сопротивление на плате для проверки индуктивности мало влияет и им можно пренебречь. Поскольку вредное воздействие паразитных индуктивностей зависит от частоты, мы экспериментировали с тремя предустановленными частотами переключения: 300 кГц, 600 кГц и 1 МГц. Это позволяет нам увидеть, насколько важным для конструкции будет переход от обычных частот переключения к более высоким частотам в будущем. Все мы знаем, что в силовых цепях длина всех дорожек должна быть короткой, чтобы избежать скачков напряжения и тока, уменьшить общие электромагнитные помехи платы и избежать негативного влияния на «более стабильные» компоненты в цепи (особенно для аналогового управления). схемы и сопутствующие компоненты). Кроме того, справочный материал показывает, что индуктивность истока управляющего полевого МОП-транзистора оказывает нелинейное влияние на увеличение времени спада тока истока, что приводит к увеличению рассеиваемой мощности и снижению эффективности преобразования. В дополнение к вышеперечисленным явлениям индуктивность источника также может вызывать звон в коммутационном узле.

Тестовые схемы и печатные платы

Используемая схема представляет собой топологию синхронного выпрямления, работающую в разомкнутом контуре. Это сделано для того, чтобы исключить любое влияние контура управления на характеристики схемы и позволить нам сосредоточиться на эффективности преобразования энергии, особенно на производительности MOSFET. Мы знаем, что условия с высокой индуктивностью могут вызвать сильный звон, особенно в узле коммутации. Выберите ИС драйвера затвора, которые могут выдержать этот звонок без побочных эффектов. В этой четырехслойной печатной плате используется две унции медного материала, а два внутренних слоя представляют собой плоскости земли и питания. При электромонтаже должны соблюдаться все правила хорошего электромонтажа.

Влияние индуктивности затвора

Индуктивность затвора мало влияет на КПД при частоте коммутации 300 кГц. При частоте коммутации 600 кГц влияние индуктивности затвора гораздо более выражено, с изменением эффективности на 1,2 % при 20 А. На частоте 1 МГц деградация эффективности почти полностью исчезает. Мы не исследовали эту причину и можем предположить, что с вероятностью 50% фактор резонанса компенсирует ее потерю. Явление резонанса привода затвора МОП-транзистора требует дальнейшего изучения. Мы видим, что индуктивность затвора мало влияет на эффективность управляющих и синхронных МОП-транзисторов.

Влияние индуктивности источника

Индуктивность источника оказывает более выраженное влияние на КПД. В некоторых случаях нам приходилось прерывать тест до достижения тока, потому что температура MOSFET превышала 130°C. На рис. 5 показаны результаты исследования контрольного МОП-транзистора. Более внимательное изучение этих результатов показывает, что при частоте 300 кГц и индуктивности 100 % преобразователь постоянного тока не может работать при полных 20 А, поскольку температура полевого МОП-транзистора превышает 130°C. То же самое можно найти при индуктивности 50%, 600 кГц и 1 МГц. Снижение эффективности из-за индуктивности источника наблюдается более серьезное, чем без индуктивности источника. При индуктивности 50% и токе 15А КПД снижается на 7% даже при частоте коммутации 300 кГц. При индуктивности 100% КПД снижается до 11%. При частотах коммутации 600 кГц и 1 МГц эффект более выражен, а снижение эффективности более серьезное, чем без индуктивности источника. Ясно, что даже малая индуктивность источника снижает КПД, особенно для частот коммутации 600 кГц.

Влияние индуктивности стока

Индуктивность стока может вызвать сильный звон, которого может быть достаточно, чтобы вызвать выход MOSFET из строя в экстремальных условиях (рис. 3). Это также отрицательно сказывается на эффективности. КПД зависит от тока нагрузки и индуктивности стока на разных частотах. Кроме того, можно наблюдать следующие результаты: при токе 15А, частоте 300 кГц и индуктивности 50% тест пришлось прервать, так как температура MOSFET превышает 130°С. На той же частоте, индуктивности 100%, мы не могли получить никаких показаний, потому что звон был слишком сильным. При 300 кГц, 12 А 50 % индуктивности стока на 7 % менее эффективны, чем 0 %. Из-за высокой температуры MOSFET тест не может быть выполнен выше 15А. При 600 кГц, 12,5 А 50 % индуктивности стока на 8,5 % менее эффективны, чем 0 %. Поскольку температура MOSFET слишком высока, тест не может быть выполнен выше 12,5 А. На частоте 1 МГц тест не может быть выполнен выше 5А из-за высокой температуры MOSFET.

Влияние индуктивности затвор-исток

Большая индуктивность источника значительно снизит КПД. Показана принципиальная зависимость эффективности от индуктивности затвора. В сочетании с малой индуктивностью истока общая картина становится совершенно ясной - большая индуктивность затвора обязательно приводит к большим потерям мощности. Интерпретация этого результата требует дальнейшего изучения. Теперь мы можем констатировать, что при разумных значениях индуктивности платы индуктивности стока и истока должны быть уменьшены, чтобы обеспечить высокий КПД преобразователя. Моделирование дает следующие результаты: Индуктивности затвора и истока резонируют с емкостью затвор-исток MOSFET. Когда HS-FET отключает исток затвора, конденсатор разряжается через эти индуктивные пути. После выключения полевого МОП-транзистора индуктивность заставит ток затвора продолжать течь и зарядить емкость затвор-исток в обратном направлении. Этот заряд снова разряжается таким же образом и инвертирует напряжение затвор-исток HS-FET. В зависимости от провала HS-FET может снова включиться с огромным коротким замыканием. Эффект становится серьезным при таких высоких индуктивностях затвора. В некоторых случаях можно увидеть даже второй эффект короткого замыкания. В составе этого резонансного контура индуктивность источника может действовать и вторым образом. Когда возникает ток короткого замыкания, индуктивность источника ограничивает di/dt (скорость изменения тока во времени) тока короткого замыкания, тем самым ограничивая потери. Индуктивность истока также вызывает отрицательную обратную связь с напряжением затвор-исток и ограничивает короткие замыкания. Эти эффекты особенно проявляются там, где паразитная индуктивность затвора высока. Для обеспечения высокой эффективности этого эффекта следует избегать при проектировании, то есть индуктивность затвора должна быть тщательно спроектирована, чтобы свести его к минимуму.

Влияние источника HS на индуктивность источника LS

Мы исследовали влияние расположения индуктивности паразитного источника на КПД. В результате управляемый полевой транзистор будет оказывать большее влияние на его эффективность, чем синхронный полевой транзистор при той же величине контура паразитной индуктивности источника. Причина этого явления заключается в том, что медленное переключение полевого транзистора управления вызывает дополнительные коммутационные потери, поскольку VDS управляющего полевого транзистора выше, чем у синхронного полевого транзистора (падение прямого напряжения синхронного полевого транзистора мало) в процессе преобразования. Кроме того, обратная связь паразитной индуктивности с напряжением затвор-сток полевого транзистора оказывает значительное влияние на общий ток утечки HS-FET. Для сравнения, влияние паразитной индуктивности источника на ток утечки LS-FET является лишь частичным, поскольку его можно обойти внутренним диодом синхронного FET.

Эффекты параллельных МОП-транзисторов

Когда МОП-транзисторы подключены параллельно, маловероятно, что каждый отдельный контур МОП-транзистора во многих случаях будет иметь одинаковые паразитные характеристики. Мы исследовали влияние дополнительной индуктивности в контуре стока MOSFET на КПД. Мы экспериментально показываем пагубное влияние паразитной индуктивности на эффективность переключения полевых МОП-транзисторов в преобразователях постоянного тока. Выводы следующие: влияние индуктивности в цепи истока сильное, за ним следует аналогичная индуктивность в цепи стока. В нашей макетной плате мы не обнаружили серьезных эффектов, связанных с индуктивностью цепи затвора. Снижение эффективности тесно связано с частотой переключения преобразователя. Снижение эффективности во многом связано с током нагрузки. При наличии паразитных индуктивностей в цепях истока и стока чем больше ток нагрузки, тем больше падение КПД. В современных преобразователях постоянного тока необходимо соблюдать особую осторожность при прокладке печатной платы системы питания, особенно вокруг переключающих полевых МОП-транзисторов. Одним из преимуществ использования многослойной платы является снижение паразитного сопротивления и индуктивности за счет отвода максимально возможного тока в слоях. Это снижает резистивные потери и потери из-за паразитной индуктивности. При проектировании высокочастотных преобразователей постоянного тока возникает множество проблем с паразитной индуктивностью, связанных с цепями истока и стока. Во-первых, это индуктивность корпуса, и можно использовать недавно представленные корпуса с малой индуктивностью для переключения МОП-транзисторов. Второй пункт — это паразитная индуктивность печатной платы, которую необходимо контролировать, используя многослойную печатную плату и уменьшая индуктивность дорожки. Это позволяет разработчикам использовать меньше конденсаторов для более быстрого динамического отклика и успешных высокочастотных конструкций. Паразитные индуктивности, которых невозможно избежать по конструкции, следует перенести в цепь синхронных полевых транзисторов, поскольку индуктивность в синхронных полевых транзисторах оказывает меньшее влияние на общий КПД, чем индуктивность в цепи управляющих полевых транзисторов. Примечание. При малых рабочих циклах паразитное сопротивление в контуре синхронного полевого транзистора может значительно снизить эффективность. При проектировании необходимо найти сложные компромиссы (ширина дорожки, толщина меди, эффективный диапазон контура, смещение и т. д.). Избегайте параллельного подключения МОП-транзисторов. Способ параллельной замены полевых МОП-транзисторов заключается в добавлении дополнительных фаз или использовании более качественных МОП-транзисторов. Если параллельная работа неизбежна, для параллельных МОП-транзисторов должна быть гарантирована электрическая симметрия в конструкции, чтобы получить одинаковое распределение тока и одинаковое время переключения на печатных плат.