開(kāi)關(guān)穩壓器的電感器下方是否應接地？

2022-06-22

開(kāi)關(guān)穩壓器的電感器下方是否應接地？

這是另一個(gè)“取決于”問(wèn)題，因為它與設計中使用的電感器類(lèi)型、線(xiàn)圈方向以及電感器的漏磁是否大到足以產(chǎn)生噪聲問(wèn)題有關(guān)。有不同類(lèi)型的電感器具有不同的形狀因數，這些電感器可以在開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)操作期間在元件周?chē)a(chǎn)生不同的磁場(chǎng)分布。

盡管電感器及其磁性行為存在差異，但仍有一些通用原則可用于判斷在開(kāi)關(guān)穩壓器電路中電感器附近放置接地的效果。我們將在本文中介紹其中的一些原則。

電感器如何在開(kāi)關(guān)穩壓器中耦合噪聲

當電感器在電壓調節器電路中以開(kāi)關(guān)電流工作時(shí)，開(kāi)關(guān)電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。這是麥克斯韋方程中描述的電磁學(xué)的基本事實(shí)。然后，時(shí)變磁場(chǎng)可以在附近的電路中感應出電動(dòng)勢。

讓我們考慮一下下面3D視圖中顯示的繞線(xiàn)電感器。當開(kāi)關(guān)電流流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈會(huì )發(fā)出時(shí)變磁場(chǎng)。如果你回到你的物理課，你就會(huì )知道由開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的不斷變化的磁場(chǎng)會(huì )在周?chē)膶w中感應出渦流。

由于來(lái)自PWM驅動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)電流，電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

L2上場(chǎng)線(xiàn)幾乎垂直于接地層的區域將感應渦流。

不同類(lèi)型的電感器在電感器磁芯周?chē)鷷?huì )有不同的磁場(chǎng)分布。電感器磁芯的方向、用于構建電感器的材料以及電感器的類(lèi)型（繞線(xiàn)、薄膜型、屏蔽等）也很重要。在上述情況下，我們有一個(gè)垂直定向的電感線(xiàn)圈。但是，如果該電感器被屏蔽，則由開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將大部分包含在電感器封裝內。其他封裝（如環(huán)形電感器）有助于將磁通量包含在纏繞線(xiàn)圈內。

切口仍會(huì )經(jīng)歷感應EMF和電流

如果您放置一個(gè)切口，仍然會(huì )在附近的平面層中產(chǎn)生EMF和產(chǎn)生的電流。在下面的示例中，如果我們假設磁場(chǎng)指向切口，則生成的電流回路將是順時(shí)針?lè )较?，如下所示?span>

位于GND平面/多邊形切口上方的電感器仍會(huì )在帶有切口的層中產(chǎn)生渦流。

如果我們通過(guò)所有層切割這個(gè)地面，現在我們會(huì )遇到非常糟糕的情況，我們會(huì )在所有層上感應這些電流。它還允許磁場(chǎng)在PCB周?chē)l(fā)，而帶有GND的外殼通常會(huì )屏蔽它。從EMC的角度來(lái)看，這是非常糟糕的。將地放在電感器下方會(huì )阻止該磁場(chǎng)通過(guò)電路板并可能干擾其他組件；我認為這是在電感器下方使用它的適當理由。

磁感應電流如何影響操作

上面的邏輯是，如果接地位于電感器下方，磁場(chǎng)將在下一層產(chǎn)生渦流。這些渦流會(huì )產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，與電感器的磁場(chǎng)相反。推理是電感器將具有較低的“等效”電感，因為開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的總磁場(chǎng)較低。如果你愿意，你也可以從電感線(xiàn)圈和平面之間的互感來(lái)考慮；這降低了系統的總電感。

假設的結果將是在其他電路中感應的噪聲。然而，接地對內部層上的電路和布線(xiàn)提供了一些屏蔽，從而限制了表面層附近的噪聲。無(wú)論您是否放置切口，渦流和噪聲無(wú)論如何都會(huì )存在，因此您必須容忍電感器附近的電路中的一些噪聲。由于更好的選擇是屏蔽所有其他層中的這種噪聲，因此我贊成電感器下方的接地。使接地更靠近電源調節器中的元件通常也是控制寄生效應的好主意。

概括

我們從上述討論中得到了幾個(gè)主要結果：

在電感下方放置接地會(huì )降低其有效電感；使地更靠近電感器會(huì )產(chǎn)生更大的電感降低

在電感下方放置接地有助于屏蔽內部/背層上的其他電路，使其免受直接來(lái)自電感磁芯的噪聲的影響，但如果開(kāi)關(guān)環(huán)路分布在疊層上，則要小心，因為這可能會(huì )在附近的走線(xiàn)上引起噪聲

最后，可以公平地得出結論，如果您愿意由于相鄰銅箔中存在渦流而犧牲一點(diǎn)電感，那么在開(kāi)關(guān)穩壓器PCB布局中將接地置于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和電感器下方是沒(méi)有問(wèn)題的。更好的選擇是將其與屏蔽電感器結合使用；您可以獲得屏蔽接地的好處，并且電感器封裝將更好地包含磁場(chǎng)。頂層噪聲問(wèn)題通過(guò)適當的布局和額外的屏蔽來(lái)解決，方法是將GND網(wǎng)絡(luò )放置在靠近控制電路和任何敏感走線(xiàn)的位置。

就開(kāi)關(guān)節點(diǎn)而言，可能存在一些爭論，即在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)附近放置接地是否會(huì )導致過(guò)多的噪聲耦合遠離開(kāi)關(guān)節點(diǎn)并進(jìn)入接地。只要整流元件的電容足夠大，阻抗最小的路徑將通過(guò)整流元件，而不是通過(guò)電容耦合回到附近的接地層。在大多數情況下，這是整流MOSFET的終端電容。