วิธีลดโหลดปรสิตในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งให้เหลือน้อยที่สุด

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (สวิตชิ่ง) ได้รับความนิยมในด้านประสิทธิภาพและความยืดหยุ่น อุปกรณ์นี้ยังนำมาซึ่งความท้าทายในขณะที่มีการขยายไปยังการใช้งานใหม่ ๆ สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือการสวิชต์ความถี่สูงสามารถทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในส่วนที่เหลือของระบบ นอกจากนี้ ปัจจัยเดียวกันที่สามารถนำไปสู่ EMI ยังลดประสิทธิภาพ ซึ่งทำลายข้อดีหลักประการหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ นักออกแบบจะต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อกำหนดค่าแบบ "ฮ็อตลูป" ซึ่งเป็นส่วนของวงจรจ่ายไฟที่เกิดการสวิตช๋อย่างรวดเร็ว การลดการสูญเสียโหลดปรสิตของฮ็อตลูปให้เหลือน้อยที่สุดเนื่องจากความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) และความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่า (ESL) เป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกส่วนประกอบแหล่งจ่ายไฟที่มีการรวมสูงและลักษณะของแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) อย่างระมัดระวัง

บทความนี้จะแนะนำฮ็อตลูปและแหล่งที่มาของการสูญเสียโหลดปรสิต รวมถึงตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง ทรานซิสเตอร์สนามพลังงาน (FET) และเวียของบอร์ดพีซี จากนั้นจะแสดงตัวอย่างตัวแปลงพลังงานที่มีการรวมสูงจาก Analog Devices และนำเสนอโครงร่างบอร์ดพีซีแบบต่างๆ และผลกระทบต่อพารามิเตอร์ของโหลดปรสิต สรุปด้วยเคล็ดลับที่เป็นประโยชน์ในการลด ESR และ ESL

ความรู้พื้นฐานของฮ็อตลูปของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสวิตช์กระแสอย่างรวดเร็ว เช่น บูสต์ บัคบูสต์ และตัวแปลงฟลายแบ็ก จะมีฮ็อตลูปที่การสวิตช์กระแสที่ความถี่สูง แนวคิดนี้แสดงผ่านตัวแปลงบัคแบบง่ายหรือที่เรียกว่าตัวแปลงแบบสเต็ปดาวน์ (รูปที่ 1) ลูปด้านซ้าย (สีแดง) มีองค์ประกอบสวิตชิ่งทั้งหมด โดยกระแสความถี่สูงที่สร้างโดยวงจรจะอยู่ภายใน ก่อตัวเป็นฮ็อตลูป

รูปที่ 1: ตัวแปลงบัคอย่างง่ายแสดงหลักการของฮ็อตลูปที่แสดงด้วยสีแดง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้าน "ฮ็อต" มาจากการแปลงพลังงานจำนวนมากและการสวิตช์ที่เกิดขึ้นในบริเวณนี้ของวงจร ซึ่งมักจะมาพร้อมกับการสร้างความร้อน โดยรูปแบบและการออกแบบที่เหมาะสมของฮ็อตลูปเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการลด EMI และรับประกันการทำงานของแหล่งจ่ายไฟอย่างมีประสิทธิภาพ

วงจรที่สมจริงยิ่งขึ้นในรูปที่ 2 แสดงตัวแปลงบัคซิงโครนัส DC-DC สำหรับฮ็อตลูปนี้ ส่วนประกอบทางกายภาพ (สีดำ) คือตัวเก็บประจุอินพุต (C_IN) และ FET โลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์สวิตชิ่ง (MOSFET), M1 และ M2

รูปที่ 2: ฮ็อตลูปที่ใช้งานจริงย่อมรวมพารามิเตอร์ของโหลดปรสิตไว้ด้วย ซึ่งแสดงเป็นสีแดง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

พารามิเตอร์ปรสิตภายในฮ็อตลูปแสดงเป็นสีแดง โดยทั่วไป ESL จะอยู่ในช่วงนาโนเฮนรี (nH) ในขณะที่ ESR อยู่ในช่วงมิลลิโอห์ม (mΩ) การสวิตช์ความถี่ที่สูงขึ้นทำให้เกิดริงกิ้งภายใน ESL ส่งผลให้เกิด EMI จากนั้นพลังงานที่เก็บไว้ใน ESL จะถูกกระจายโดย ESR ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน

ลดพารามิเตอร์ปรสิตด้วยส่วนประกอบแบบรวม

ความต้านทานปรสิต (ESR, ESL) เหล่านี้เกิดขึ้นภายในส่วนประกอบและตามลายวงจรของบอร์ดพีซีแบบฮ็อตลูป เพื่อลดพารามิเตอร์เหล่านี้ นักออกแบบจะต้องเลือกส่วนประกอบอย่างระมัดระวังและปรับเลย์เอาท์ของบอร์ดพีซีให้เหมาะสม

วิธีหนึ่งในการบรรลุเป้าหมายทั้งสองคือการใช้ส่วนประกอบแบบรวม สิ่งเหล่านี้ช่วยขจัดลายวงจรของบอร์ดพีซีที่จำเป็นในการเชื่อมต่อส่วนประกอบแบบแยกส่วนในขณะที่ลดพื้นที่โดยรวมของฮ็อตลูป ทั้งสองมีส่วนช่วยลดความต้านทานปรสิต

ตัวอย่างที่ดีของส่วนประกอบที่มีการรวมกันสูงคือ LTM4638 ตัวควบคุม µModule แบบสเต็ปดาวน์จาก Analog Devices ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ตัวควบคุมสวิตช์ 15 แอมแปร์ (A) นี้รวมตัวควบคุมสวิตช์ FET กำลัง ตัวเหนี่ยวนำ และส่วนประกอบรองรับ ทั้งหมดนี้อยู่ในแพ็คเกจขนาดเล็กที่มีขนาด 6.25 × 6.25 × 5.02 มิลลิเมตร (มม.)

รูปที่ 3: ตัวควบคุม LTM4638 µModule รวมส่วนประกอบต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับตัวแปลงบัค (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

LTM4638 รวมคุณสมบัติอื่นๆ หลายประการที่ช่วยลดการสูญเสียปรสิต ได้แก่:

• การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว: ช่วยให้ตัวควบคุมสามารถปรับแรงดันเอาต์พุตได้อย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดหรืออินพุต ช่วยลดระยะเวลาและผลกระทบจากการสูญเสียปรสิตโดยการเปลี่ยนผ่านสถานะการทำงานที่ต่ำกว่ามาตรฐานอย่างรวดเร็ว
• การทำงานของโหมดไม่ต่อเนื่อง: จะทำให้กระแสไฟเหนี่ยวนำลดลงเหลือศูนย์ก่อนที่จะเริ่มรอบการสวิตช์ครั้งถัดไป โดยปกติแล้วจะใช้ภายใต้สภาวะโหลดต่ำ โหมดนี้จะช่วยลดการสวิตชิ่งและการสูญเสียคอร์ในตัวเหนี่ยวนำโดยการลดพลังงานลงในส่วนหนึ่งของวงจร
• การติดตามแรงดันไฟฟ้าขาออก: จะทำให้เอาท์พุตของคอนเวอร์เตอร์สามารถติดตามแรงดันไฟฟ้าอินพุตอ้างอิงได้ ด้วยการควบคุมการขึ้นลงของแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตอย่างแม่นยำ คุณสมบัตินี้จะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดค่าสูงเกินไปหรือต่ำเกินไปที่อาจทำให้การสูญเสียปรสิตมากขึ้น

ลดพารามิเตอร์ปรสิตให้เหลือน้อยที่สุดด้วยการจัดวางส่วนประกอบ

การสร้างตัวแปลงบั๊กแบบซิงโครนัสด้วย LTM4638 จำเป็นต้องเพิ่มตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตจำนวนมาก C_IN และ C_OUT ตามลำดับ การวางตำแหน่งของตัวเก็บประจุเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อพารามิเตอร์ปรสิต

การทดลองของ Analog Devices กับบอร์ดประเมินผล DC2665A-B สำหรับ LTM4638 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของการวางตำแหน่งของ C_INโดย DC2665B-B นั้นได้เปลี่ยนบอร์ดนี้ แต่ใช้หลักการเดียวกัน รูปที่ 4 ถึง 6 แสดงเค้าโครงที่แตกต่างกันสามแบบสำหรับ C_IN และฮ็อตลูปที่สอดคล้องกัน Vertical Hot Loop 1 (รูปที่ 4) และ 2 (รูปที่ 5) วาง C_IN ที่ชั้นล่างสุด ใต้ตัวควบคุมหรือด้านข้าง ตามลำดับ และ Horizontal Hot Loop (รูปที่ 6) วางตัวเก็บประจุไว้ที่ชั้นบนสุด

รูปที่ 4: มุมมองด้านล่างและด้านข้างของ Vertical Hot Loop 1 C_IN อยู่ใต้ตัวควบคุมโดยตรง เชื่อมต่อผ่านจุดเวีย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 5: มุมมองด้านล่างและด้านข้างของ Hot Loop แนวตั้ง 2 C_IN อยู่ด้านล่างแต่อยู่ข้างตัวควบคุม ซึ่งจำเป็นต้องมีลายวงจรและจุดเวียของบอร์ดพีซี (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 6: มุมมองด้านบนและด้านข้างของ Horizontal Hot Loop C_IN อยู่ที่ชั้นบนสุดเชื่อมต่อกับตัวควบคุมผ่านลายวงจร (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

Vertical Hot Loop 1 มีเส้นทางที่สั้นที่สุด และหลีกเลี่ยงการใช้ลายวงจรบนบอร์ดพีซี ดังนั้นจึงคาดว่าจะมีค่าพารามิเตอร์ของปรสิตต่ำที่สุด การวิเคราะห์แต่ละฮ็อตลูปด้วย FastHenry ที่ 600 kHz และ 200 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) พบว่าเป็นเช่นนั้น (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: เส้นทางที่สั้นที่สุดมีความต้านทานปรสิตต่ำที่สุดตามที่คาดไว้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices, แก้ไขโดยผู้เขียน)

แม้ว่าพารามิเตอร์ปรสิตเหล่านี้จะไม่สามารถวัดได้โดยตรง แต่สามารถคาดการณ์และทดสอบผลกระทบของพวกมันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ESR ที่ต่ำกว่าควรนำไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ในขณะที่ ESL ที่ต่ำกว่าควรส่งผลให้การกระเพื่อมลดลง การตรวจสอบการทดลองยืนยันการคาดการณ์เหล่านี้ โดย Vertical Hot Loop 1 แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในทั้งสองตัวชี้วัด (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ผลการทดลองยืนยันว่า Vertical Hot Loop 1 มีประสิทธิภาพและการกระเพื่อมที่ดีขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การลดพารามิเตอร์ปรสิตสำหรับส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง

แม้ว่าอุปกรณ์แบบรวมจะมีข้อดีหลายประการ แต่อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งบางตัวจำเป็นต้องมีส่วนประกอบแยกกัน ตัวอย่างเช่น การใช้งานกำลังสูงอาจเกินความสามารถของอุปกรณ์ที่รวมเข้าด้วยกัน ในกรณีเช่นนี้ ตำแหน่งและขนาดแพ็คเกจของพาวเวอร์ FET ที่แยกจากกันอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อฮ็อตลูป ESR และ ESL โดยผลกระทบเหล่านี้สามารถเห็นได้จากการทดสอบบอร์ดประเมินผลสองตัว ซึ่งทั้งสองตัวมีตัวควบคุมบั๊กบูสต์แบบซิงโครนัส 4 สวิตช์ประสิทธิภาพสูง ดังแสดงในรูปที่ 9:

• บอร์ดประเมินผล DC2825A จะขึ้นอยู่กับตัวควบคุมบัคบูสต์ LT8390 มีมอสเฟตวางขนานกัน กล่าวคือ ในทิศทางเดียวกัน
• บอร์ดประเมินผล DC2626A จะขึ้นอยู่กับตัวควบคุมบัคบูสต์ LT8392 มีมอสเฟตสองคู่วางอยู่ที่มุม 90 องศา

รูปที่ 9: DC2825A (ซ้าย) วางมอสเฟตในแบบขนาน ในขณะที่ DC2626A (ขวา) วางไว้ที่มุม 90° (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

บอร์ดทั้งสองได้รับการทดสอบโดยใช้มอสเฟต และตัวเก็บประจุที่เหมือนกันในการทำงานแบบสเต็ปดาวน์ 36 ถึง 12 โวลต์ที่ 10 A และ 300 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ผลการวิจัยพบว่าตำแหน่ง 90˚ มีแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมต่ำกว่าและมีความถี่เรโซแนนซ์สูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าบอร์ดพีซี ESL มีขนาดเล็กลงเนื่องจากเส้นทางฮ็อตลูปสั้นกว่า (รูปที่ 10)

รูปที่ 10: DC2626A ซึ่งมีโครงร่างมอสเฟต 90˚ แสดงการกระเพื่อมที่ต่ำกว่าและความถี่เรโซแนนซ์ที่สูงกว่า (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ข้อควรพิจารณาเค้าโครงอื่น ๆ

ตำแหน่งด้านบนของ FormVVia ในฮ็อตลูปยังส่งผลต่อลูป ESR และ ESL อีกด้วย โดยทั่วไป การเพิ่มจุดเวียมากขึ้นจะช่วยลดความต้านทานปรสิตของบอร์ดพีซี อย่างไรก็ตาม การลดลงไม่ได้เป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับจำนวนจุดเวีย โดยจุดเวียใกล้กับแผงขั้วต่อจะช่วยลด ESR และ ESL ลงอย่างมาก ดังนั้น ควรวางจุดเวียหลายจุดใกล้กับแผ่นอิเล็กโทรดของส่วนประกอบที่สำคัญ (C_IN and the µModule หรือมอสเฟต) เพื่อลดอิมพีแดนซ์ฮ็อตลูปให้เหลือน้อยที่สุด

มีวิธีอื่นอีกมากมายที่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความร้อนในทางบวก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพฮ็อตลูปแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด ได้แก่:

• ใช้พื้นที่ทองแดงของบอร์ดพีซีขนาดใหญ่สำหรับเส้นทางกระแสไฟสูง รวมถึง V_IN, V_OUT และกราวด์เพื่อลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าของบอร์ดพีซีและความเครียดจากความร้อน
• วางชั้นกราวด์สำหรับจ่ายไฟไว้ใต้อุปกรณ์
• ใช้จุดเวียหลายจุดสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างชั้นบนและชั้นพลังงานอื่นๆ เพื่อลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า และลดความเครียดจากความร้อนของโมดูล
• อย่าวางจุดเวียบนแผ่นโดยตรง เว้นแต่จะมีการปิดหรือเคลือบทับไว้
• ใช้พื้นที่ทองแดงกราวด์สัญญาณแยกสำหรับส่วนประกอบที่เชื่อมต่อกับพินสัญญาณ โดยเชื่อมต่อกราวด์สัญญาณเข้ากับพินกราวด์หลักใต้ยูนิต
• นำจุดทดสอบบนหมุดสัญญาณออกมาเพื่อตรวจสอบ
• แยกสัญญาณนาฬิกาและสัญญาณอินพุตความถี่ออกจากกัน เพื่อลดโอกาสที่จะเกิดสัญญาณรบกวนเนื่องจากสัญญาณแทรกข้าม

สรุป

พารามิเตอร์ปรสิตภายในฮ็อตลูปมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง การลดพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหลือน้อยที่สุดเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้อุปกรณ์มีประสิทธิภาพสูงและ EMI ต่ำ

หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดในการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้คือการใช้โมดูลควบคุมแบบรวม อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบจำนวนมาก เช่น ตัวเก็บประจุ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจความหมายของโครงร่างฮ็อตลูป