Layout do conversor buck: malha quente, nó de comutação e cobre

A eficiência de um regulador de comutação é decidida pelo esquema elétrico; a sua temperatura é decidida pelo layout. A malha quente define as oscilações, e o cobre determina se o calor tem para onde ir.

1. O laço quente é o layout

O FET de lado alto liga e a corrente flui do condensador de entrada através do FET e regressa pela ligação à massa. Essa malha transporta uma corrente pulsada com flancos de nanossegundos; cada milímetro dela é indutância, e a energia nessa indutância ressoa quando o FET comuta.

Regra prática: coloque o condensador de entrada a poucos milímetros do par de FET, coloque o retorno de massa diretamente sob a malha na mesma camada, se possível, e nunca encaminhe a malha através de uma via se existir um caminho de superfície.

Encontrar a malha é fácil: ponha o dedo no esquema e siga o caminho que a corrente percorre quando o FET de lado alto está ligado. Vai do terminal positivo do condensador, através do FET, através do indutor, e regressa através do FET de lado baixo e do plano de massa ao terminal negativo do condensador. Esse caminho fechado é a malha; cada parte dele importa, incluindo o retorno.

O que uma malha grande faz na prática: a indutância parasita resiste ao degrau de corrente, o nó de comutação apresenta sobretensão, e a energia acaba por se transformar em ressonância que se acopla ao plano de massa e à pista de realimentação. O conversor continua a regular, e é por isso que o problema fica oculto até ao EMC ou a uma falha em campo.

A área da malha é o que se acopla ao resto da placa. Alguns mm² é um layout compacto; dezenas de mm² é uma malha que escuta o nó de comutação e o irradia.

2. O condensador de entrada: o valor não é suficiente

Irms = Iout x sqrt(D x (1 - D))

12 V -> 5 V, D = 0.42, Iout = 2 A:
Irms = 2 x sqrt(0.42 x 0.58) = 2 x 0.494 = 0.99 A

Essa corrente circula na ESR do condensador, e é por isso que um cerâmico de 10 µF pode aquecer mesmo que a corrente DC que o atravessa seja zero. Escolha o condensador pela corrente de ripple, não apenas pela capacitância, e verifique a redução por polarização DC: um X5R de 10 µF a 12 V pode ser 5 µF em circuito.

Exemplo prático: 12 V para 5 V a 2 A, D = 0.42, 500 kHz. Um componente X7R de 10 µF e 25 V pode ser 6 µF com polarização de 12 V; com 0.99 A RMS o ripple é aceitável, mas dois componentes de 4.7 µF em paralelo muitas vezes superam um de 10 µF porque a ESR e a ESL são reduzidas para metade e a capacitância efetiva sob polarização é maior.

Coloque o condensador pequeno primeiro, o mais próximo possível dos FETs; o condensador de grande capacidade pode estar a alguns milímetros de distância. A ordem importa mais do que o valor total.

3. O nó de comutação: mantenha-o pequeno e silencioso

O nó de comutação é o cobre entre os FETs e o indutor. Ele oscila entre a massa e Vin à frequência de comutação, pelo que é simultaneamente uma fonte de ruído e um radiador. Mantenha o cobre apenas com o tamanho suficiente para a corrente e mantenha tudo o que é sensível afastado dele.

A capacitância do nó é a soma da capacitância de saída do FET, da capacitância parasita do indutor e do próprio cobre. Cada mm² adicional acrescenta capacitância, e essa capacitância é carregada e descarregada a Vin em cada ciclo — uma perda que não aparece na equação de condução.

• Sem pista de realimentação, sem pista de enable, sem pista de deteção de corrente junto ao nó.
• Sem pontos de teste no nó, a menos que sejam necessários; uma almofada de 2 mm é uma antena.
• Se a oscilação exceder a classificação do FET, adicione um snubber RC em paralelo com o FET de lado baixo, ou abrande a ativação do FET de lado alto com uma resistência de gate.

4. Massa: um plano, um retorno

Utilize um plano de massa sólido sob o conversor. A massa de potência e a massa analógica encontram-se num único ponto — normalmente a almofada de massa do IC — e o divisor de realimentação é referenciado a esse ponto, e não ao retorno da comutação.

Um plano de terra dividido com uma ponte longa é pior do que um único plano: a corrente de retorno encontra a ponte, e a ponte é um indutor. Se a placa tiver secções analógica e digital, faça a partição pelo posicionamento, não cortando o plano.

Se o controlador tiver pinos AGND e PGND separados, ligue-os num único ponto sob o IC e mantenha o divisor de realimentação referenciado a AGND. Não confie em dois caminhos de retorno — a corrente de comutação encontrará ambos, e o mais silencioso deixará de ser silencioso.

5. Térmica: o orçamento de perdas primeiro

Um total de 0,6 W num DFN 3×3 com θJA de 45 °C/W é um aumento de 27 K — confortável. Os mesmos 0,6 W num encapsulamento com 100 °C/W são um aumento de 60 K e, numa caixa selada a 60 °C, está no limite. O calor tem de sair através do pad, dos vias e do cobre, pelo que o layout é o projeto térmico.

Um objetivo típico de eficiência para um projeto de 12 V para 5 V, 2 A a 500 kHz é de 92–95 %. Se o valor medido for 88 %, os primeiros suspeitos são as perdas de comutação (acionamento de gate demasiado lento), a DCR do indutor (uma cápsula pequena escolhida por questões de dimensão) e o condensador de entrada (um componente de baixo valor que deixa a tensão de alimentação cair).

5b. Caminho térmico, por ordem

Faça primeiro as etapas gratuitas. A maioria dos layouts buck que aquecem tem falta de vias ou de cobre, não de um dissipador de calor.

6. Realimentação e controlo

Encaminhe o divisor de realimentação a partir do terminal positivo do condensador de saída, não do indutor. A pista deve ser curta, afastada do nó de comutação e do indutor, e referenciada à massa analógica no IC.

Para um conversor com uma rede de compensação externa, coloque-a junto ao IC e mantenha o nó sensível pequeno. Uma pista longa no pino de compensação capta o nó de comutação e transforma um laço estável num laço com jitter.

7. Medir o resultado

1. Nó de comutaçãocom uma terra curta e uma sonda de baixa capacitância: verifique o sobressinal e o ringing na carga do pior caso.

Examine o nó de comutação com o osciloscópio, usando um condutor de terra muito curto. Um condutor com garra de 10 cm acrescenta indutância suficiente para criar ringing que não existe, e a correção passa então a ser perseguir um artefacto de medição.

2. Ondulação de entradaaos terminais do condensador: indica se o loop e o condensador estão a cumprir a sua função.
3. Eficiênciaa 25 %, 50 %, 100 % de carga: uma curva, não um único ponto.
4. Térmicoem plena carga durante 30 minutos no invólucro; meça o indutor e o FET, não apenas o IC.
5. Degrau de carga: verifique a recuperação e o sobressinal com o condensador de saída real.

Isto encerra o conjunto térmico: oguia AMS1117cobre a dissipação linear, oguia LM317cobre o dimensionamento do dissipador e oGuia do TP4056abrange um carregador linear. O buck é o caso em que a perda é suficientemente pequena para que seja o layout, e não o encapsulamento, a decidir a temperatura.

8. FAQ

Posso usar uma placa de duas camadas para um conversor buck?

Sim, a baixa corrente e baixa frequência, mas o hot loop tem de estar numa camada com um retorno direto. Uma placa de quatro camadas com um plano de massa sólido é muito mais tolerante.

Um indutor maior é sempre melhor?

Não. Uma indutância maior reduz a ondulação, mas aumenta a DCR e o tamanho, e a perda no núcleo varia com o material. Otimize para a frequência de comutação que realmente utiliza.

Preciso de um snubber?

Apenas se a oscilação exceder os valores nominais do FET ou irradiar. Meça primeiro; um snubber custa eficiência e espaço na placa.

Porque está o condensador de entrada mais quente do que o esperado?

Porque suporta a corrente de ondulação, não a corrente contínua. Verifique o valor nominal RMS e a redução devida à polarização DC, não apenas a capacitância.

Onde devem ficar as vias térmicas?

Sob a almofada térmica do FET ou do IC, ligada a uma área de cobre do outro lado. Quatro a nove vias de 0.3 mm é um ponto de partida típico.

O layout afeta a eficiência ou apenas a temperatura?

Como sei se o loop é suficientemente pequeno?

Observe o layout: o condensador de entrada deve tocar no par de FET. Se houver uma via ou mais do que alguns milímetros de pista entre eles, o loop é maior do que precisa de ser.

Porque é que o meu conversor aquece com carga leve?

Com carga leve, as perdas de comutação e de gate dominam, e não diminuem com a corrente. Se o projeto estiver otimizado para plena carga, a eficiência com carga leve sofre; alguns controladores oferecem um modo de salto de pulsos para resolver isso.

O indutor deve ser blindado?

Os componentes blindados reduzem o campo que se acopla às pistas de realimentação e de sinal. Para um conversor próximo de circuitos analógicos, o pequeno custo geralmente compensa.

Principalmente temperatura e ruído, mas a indutância da malha também aumenta as perdas de comutação. Um layout deficiente pode custar alguns por cento de rendimento em alta frequência.

9. Fontes

• Texas Instruments,AN-1149: Diretrizes de Layout para Fontes de Alimentação Comutadas— encaminhamento do loop quente, de terra e de realimentação.
• Texas Instruments,Diretrizes de Layout de Alta Velocidade(SLLA414) — caminho de retorno e prática de vias.
• Folhas de dados de conversores buck dos fabricantes — dimensões da almofada térmica, θJA e padrões de assentamento recomendados.