Вопросы маршрутизации для Buck Converter

Я хочу построить регулируемый выходной понижающий преобразователь со следующими требованиями:

• Выход 1.25-15В
• Вход 20-24В
• Макс ток 5А (с ограничением)
• Максимальная пульсация на выходе 100 мВ (желательно, но менее важно)
• Площадь платы 50х50мм

Используя LM5085 IC: технические данные , я считаю, что у меня есть дизайн, который будет работать. Я выбрал схему «типичного приложения» на pg1 таблицы, с добавлением чувствительного резистора: я вполне уверен в своем выборе значений для компонентов, просто следуя уравнениям в таблице (примечание:$C_{OUT1}$ а также $C_{OUT2}$ не показывать значения, так как они существуют для нужд любых будущих проектов с различными ограничениями по емкости конденсаторов).

ПРИМЕЧАНИЕ : я не включил расчет значений компонентов, потому что это не было предметом вопроса, хотя значения можно увидеть на схематической диаграмме. Если по какой-либо причине они необходимы, я могу предоставить редактирование всей моей работы.

Мой первый вопрос касается $R_{adj}$Как показано в примере конструкции на стр. 18-19 таблицы данных, смещение компаратора предела тока и допуск на сток выводов ADJ могут привести к тому, что фактическое предельное значение тока будет где-то в довольно большом диапазоне. Есть ли проблема, если я уйду$R_{adj1}$ в качестве разомкнутой цепи, подключите выходную нагрузку, которая будет тянуть ~ 6А, а затем настройте значение триммера $R_{adj2}$ пока ток не ограничен 5А?

Остальные мои вопросы касаются компоновки платы. Это моя первая печатная плата с более высокими частотами и большими токами, поэтому я ожидаю многого научиться. Используя пример компоновки на pg23, это руководство , а также другие вопросы, опубликованные о маршрутизации с высокими частотами, большими токами и маршрутизации вокруг индукторов, у меня есть понимание:

1. Необходимо минимизировать loop1: $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. Необходимо минимизировать loop2: $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. Подключение от $R_{sns}$ к контакту ISEN должно быть соединение Кельвина
4. По возможности избегайте всех следов и заливок под индуктором, чтобы свести к минимуму наведенный шум / ток
5. Высокие токонесущие следы должны быть толстыми и короткими
6. Держите след обратной связи от индуктивности и других шумных следов
7. Избегайте использования переходных отверстий, где это возможно, для высоких сигналов переключения

Учитывая все это, моя первая попытка показана ниже. Стоит отметить, что максимальная частота переключения (происходит при$V_{out}=max$) составляет около 420 кГц. Для справки: толщина трасс: N $ 6 составляет 1,68 мм (вероятно, будет увеличена при наличии достаточного пространства), выходной сигнал на выходной вывод J4 равен 3 мм, а небольшие следы сигнала - 0,254 мм. Использование онлайн- калькулятора ширины трассы дает увеличение температуры на ~ 23 ° C на трассах 1,68 мм.

Это не самый последний дизайн, он оставлен здесь для рассказывания историй, см. РЕДАКТИРОВАТЬ Показ размера петель:

Основные проблемы, которые у меня есть:

• Эти толщины следа в правильном поле?
• Я свел петли как можно лучше, но если это плохая работа, дайте мне знать
• Два переходных отверстия под LM 5085 необходимы для подключения входной клеммы J3 к GND заливки верхнего уровня. Единственный способ избежать этого состоит в том, чтобы вместо этого использовать переходы на трассе FB (идущие от CFF к LM5085), чтобы трасса верхнего слоя могла проходить от J3 к заземляющей плоскости верхнего слоя. Я не выбирал , что в текущей раскладке , так как необходимо, чтобы потребности FB трассировки должны храниться вдали от шума, Рисунок 7-с на вышеупомянутом руководстве макета здесь , однако делает использование межслойных так может быть , это возможно? Что должно быть моим приоритетом здесь? прямое соединение FB на одном слое или заземление к входной клемме без переходов?
• Сигнал затвора также содержит 2 сквозных отверстия, чтобы позволить заземляющей плоскости достичь входных конденсаторов и диода, альтернативой было бы иметь его в качестве только трассы верхнего слоя и использовать сквозное соединение для подключения конденсаторов к нижнему слою заземления GND. Что здесь хуже для производительности? подключение входных колпачков к GND через / s или наличие двух переходных сигналов на сигнале, работающем при 420 кГц?
• Если есть что-то еще, что я упустил из виду или мог бы улучшить?

Я знаю, что это было длинное чтение, поэтому большое спасибо за любую помощь и предложения, я буду публиковать результаты, когда доллар будет закончен и протестирован!

РЕДАКТИРОВАТЬ 1

Посмотрев на связанный макет оценочной платы, я переделал плату, пытаясь внести только необходимые корректировки: исходная принципиальная схема была обновлена ​​до новой настройки, теперь я использую конфигурацию «пониженный уровень пульсации».

Изменения компонентов:

• $C_{out}$ сейчас керамика
• Индуктор теперь SMD и меньший размер упаковки
• Устранен устаревший тримбот ($R_{FB1}$)
• Значения для $C_{in}$ изменилось, теперь включает в себя обходной колпачок
• Изменен пакет Q1 на to220, чтобы улучшить теплоотвод (используется D1)

Обращаясь к @Ali Chen Re: «Какова цель дизайна? Для 1.25V будет совсем другой оптимум, чем для выхода 15V»

Цель состоит в том, чтобы создать SMPS, который может работать аналогично настольному источнику питания, но может быть включен в более крупный проект. Вы правы, что наиболее оптимальный набор значений компонентов будет разным для разных выходов, но для моей цели достаточно, чтобы проект работал, получение максимальной эффективности / минимальной пульсации выхода и т. Д. Не являлось моим приоритетом.

Мое мышление в отношении значений компонентов (и, пожалуйста, исправьте меня, если это не так) было использовать Excel, чтобы дать показатели в диапазоне выходного напряжения 1,25-15В ($V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$ и т. д.) затем сравнивая их с требованиями регулирующих органов (например, $V_{FB(ripp)} > 25mV$) найти значения компонентов, которые будут работать для всех выходов.

Я хотел бы получить отзывы об этом новом дизайне, мои новые проблемы:

• Кельвинские связи на $R_{sns}$ приемлемо?
• Thermals против нет термиков? макет на оценочной плате не использует термики, я использовал их для большинства соединений. Будет ли это хорошо, пока комбинация всех следов, поступающих на площадку, может обрабатывать ток?
• Есть еще мысли?

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Следуя совету @winny, я уменьшил размер макета, установив D1 и Q1 вплотную. Было также предложено приблизить Cin к Q1, поэтому я попробовал это. Cin1 - исходное положение электролита, определяемое макетом оценочной платы . Cin4 - моя попытка приблизить его, это лучшая позиция для него? Или его наземный терминал теперь расположен слишком далеко от петель? Наконец, была поставлена ​​под сомнение эффективность использования электро на частотах до 420 кГц. Эта плата имеет выходной сигнал 1,25-15 В, что означает, что ее частота фактически будет где-то в диапазоне 40-420 кГц, поэтому я ожидаю, что электро поможет уменьшить пульсации на более низких выходах. (Также учитывая настройку диапазона частот до 20-200 кГц)

Ваш вопрос очень расплывчатый, поэтому, вероятно, никто не ответил на него.

Итак, я собираюсь предположить, что вы хотите, чтобы ваш вопрос был более или менее этим двумя конкретными вопросами:

1. Будет ли это работать?

Нет, это не сработает по причинам, не связанным с вашим макетом.

Вы попали в понятную общую ловушку, когда ошибочно принимаете «настраиваемый» в значении «меняющийся / переменный». Регулируемый выходной регулятор означает, что вместо фиксированного выходного напряжения вы можете регулировать фиксированное выходное напряжение, на которое оно будет регулироваться. Нет никаких оснований полагать, что он будет хорошо работать или даже вообще работать при изменении выходного напряжения. Изменение, конечно, означает, что регулируемое выходное напряжение будет меняться во время работы. Все регулируемые средства - это то, что вы можете настроить фиксированный выход. Это все еще исправлено во время работы. Вот почему все примеры в техническом описании, а также eval board имеют фиксированные выходы.

Теперь термин «регулируемый» также не подразумевает, что он не может быть использован в различных приложениях вывода. Но важно понимать, что если деталь является регулируемой, нет никаких оснований полагать, что вы можете изменять выходную мощность во время работы или что эта деталь предназначена или предназначена для этого. Вы должны определить это по частям.

Вы выбрали гистерезисный контроллер с постоянным временем включения (COT), который является хорошим выбором для переменного выхода, но эта часть не была разработана с учетом этого. Контроллеры COT чрезвычайно чувствительны к шуму на пути обратной связи. Обычно COT, предназначенный для переменного выхода, будет иметь специальный управляющий вывод, который не будет находиться непосредственно на пути обратной связи, что в значительной степени уменьшает эту чувствительность (конкретные средства зависят от детали). На LM5085 такого штифта нет.

Это имеет значение, потому что контроллер COT почти наверняка НЕ допустит наличия некоторого шумного углеродного стеклоочистителя, буквально соскребающего, механически, вдоль большего количества углерода с любым детритом пальца и остатками кошки (или любым другим), которые проникли на упомянутые поверхности стеклоочистителя. Гистерезисный контроллер в своей основе является генератором компаратора, что делает его чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и подвержен влиянию шума, который даже не регистрировался бы в более распространенном усилителе ошибки токового режима. Вероятно, он даже не допустил бы того, чтобы потенциометр просто сидел там, без регулировки во время работы. Если вы поместите его достаточно далеко, чтобы он не соединялся емкостно или поглощающе (как, например, антенна) с вашим коммутационным узлом, то ваши следы в любом случае слишком длинные и действуют как замечательные антенны самоизлучающих датчиков.

Если вы хотите изменить выходную мощность этого контроллера, вы должны делать это без шумных электромеханических вещей (никакие движущиеся части не допускаются!) Или изменения фактического сопротивления канала обратной связи. Вам нужно будет использовать инжекцию тока, вероятно, с ЦАП с токовым выходом. Да, это высокий заказ. Нет, пути нет. Это так или выбрал более традиционный ШИМ-контроллер в текущем режиме.

Стоит отметить, что ток ввода не является специфическим для СОТ, но может использоваться как очень эффективный, надежный и малошумящий метод изменения выходного напряжения ЛЮБОГО контроллера, с помощью линейного, ШИМ, гистерезисного и т. Д. Он довольно универсальный.

И это на самом деле смешная глупость, на самом деле есть сообщение в блоге TI, демонстрирующее выполнение именно того, что я описал с вашей конкретной частью! Ура!

Второй вопрос:

2. Каким руководствам следует руководствоваться при размещении конвертера доллара?

Итак, вы в основном беспокоитесь о неправильных вещах или беспокоитесь о вещах, которые не имеют большого значения, и очень мало беспокоитесь о вещах, которые делают.

Сначала несколько быстрых заметок:

1. 5А не очень высокий ток, и ваш выходной ток на самом деле не так уж много говорит о том, какие токи возникнут в цепи. В понижающем преобразователе, как правило, выходной ток будет в несколько раз превышать определенные значения.

2. Ничто на вашей доске не является высокой частотой / более высокой частотой. Высокая частота, в контексте макета, начинается с сотен мегагерц и выше. Ничто не измеряется в килогерцах с точностью до двух порядков величины высокой частоты.

3. Я думаю, что вы путаете звуки, вызванные dV / dT, и частоту переключения. Когда различные заметки в приложении макета для переключателей говорят о высоких частотах, это не имеет никакого отношения к вашей частоте переключения. Действительно, тот же преобразователь на 400 кГц будет звонить на тех же частотах, что и на 40 кГц.

О высокочастотных электромагнитных помехах / шумах, о которых идет речь, зависит от времени нарастания dV / dT ваших коммутаторов (в вашем случае MOSFET и диод), а также от паразитных индуктивностей и емкостей, задействованных в вашем коммутационном узле. Помните, у вас есть паразитная емкость от всего ко всему (если между ними есть диэлектрик / изолятор), и все проводящее также является индуктором. Что вы получите, если у вас есть конденсатор или катушка индуктивности последовательно или параллельно, или просто смешно смотреть друг на друга? Да, вы получите LC резонансный резервуар. Обычно паразитная емкость слишком мала, чтобы иметь значение, но входная емкость вашего MOSFET, а также входные конденсаторы, которые сбрасывают десятки ампер прямо через MOSFET в ваш коммутационный узел, который подключается к одному проводу индуктивности ... они определенно имеет значение. И они'

Большую часть времени они остаются незамеченными, потому что требуется очень быстрый удар, чтобы позвонить в такой колокол. К сожалению, наш MOSFET в значительной степени идеален, чтобы ударить этот звонок и уговорить его на звонок. Чем быстрее время нарастания, тем громче и выше частота звонка. Вы можете включить его 40 000 раз в секунду или 400 000 раз в секунду, но он включается так же быстро и сильно каждый раз, независимо от того, сколько раз вы нажимаете переключатель в секунду. Это то, что я имею в виду, когда ваша частота переключения не имеет значения.

В понижающем преобразователе ваша главная задача - это вход , а не выход. Прежде всего, вы хотите разместить входные конденсаторы как можно ближе к верхнему и нижнему переключателям. Это ваш коммутационный узел. Тот, который звонит. И закрыть как можно ближе значит как можно ближе. 1 nanohenry будет иметь существенное значение. Да, 1 нанохенри. Каждый миллиметр имеет значение.

Вы также хотите, чтобы заземление ваших выходных конденсаторов было как можно ближе к заземлению ваших входных конденсаторов. Но это вторично, и что-то нужно оптимизировать, не прибегая к потере близости входных конденсаторов к вашим переключателям. Бак-конвертеры работают, всасывая огромные, но короткие глотки тока на входе, который предшествует более медленной индуктивной рампе тока, которая составляет один цикл нашего пульсирующего тока.

Так что, конечно, эти запчасти ТО-220 должны быть отправлены. Это лидерство и связка, вероятно, добавляют только 5 наногени! Вам нужен хороший пакет для поверхностного монтажа с индуктивностями стока / истока, измеренными в сотнях пикохенрий. Не какой-нибудь громоздкий TO-220, который мог бы быть небоскребом с тем, как высоко и далеко он стоит на этих проводах. Миллиметры потрачены впустую.

О, и единственные конденсаторы, которые имеют значение, это ваша керамика. Электролитики имеют слишком много ESL, они полностью резистивны при 100 кГц или 150 кГц, если вы используете высокочастотные типы, и могут фильтровать пульсирующий ток, даже если частота достаточно низкая. Помните, как быстро и сложно включается MOSFET? Электролитики совершенно не способны разряжать заряд в наносекундные моменты времени, требуемые переключателем. Их индуктивность препятствует этому, поэтому, хотя они даже не выпустили первую зарядную пару со своих пластин, этот переключатель снизил ваше напряжение (без емкостного буфера, способного реагировать), и ваша пульсация переключения сбила все, что они питают ваш DC / DC преобразователь. На низких частотах будут присутствовать эти высокочастотные гармоники, которые будут эффективно проходить сквозь электролитические каналы без ослабления.

Электролитики призваны сгладить низкочастотное падение и обеспечить большую объемную развязку, но они бесполезны в любом месте рядом с вашим первичным контуром переключения, и даже на более низких частотах все равно должен иметь керамический конденсатор перед ними, ближайший к вашему коммутационному узлу.

Керамика - это единственное, что имеет емкость, если говорить о шуме, о котором вам нужно беспокоиться (по крайней мере, от переключателя).

Теперь, ни одна из этих вещей не обязательно помешает вашей цепи работать. И это не полное или подробное руководство, но, опять же, я отвечаю на неопределенный вопрос и поэтому могу дать только неопределенные ответы. Надеюсь, это даст вам лучшее представление о том, что происходит, по крайней мере, и должно послужить хорошей отправной точкой для продолжения обучения.

Я могу отредактировать этот вопрос позже и добавить более исчерпывающий список, но сейчас мне нужно лечь спать. Сожалею!