[RAQ] Gdy masa zasilania jest odseparowana

Masa zasilania jest potencjałem odniesienia wspólnym dla wszystkich napięć w urządzeniu elektronicznym. Jak ją projektować w przetwornicach DC/DC pokazujemy w artykule.

Pytanie:

W jaki sposób połączyć masy zasilania w przetwornicy impulsowej?

Odpowiedź:

Jak powinieneś postępować z przetwornicą impulsową zawierającą masę analogową (AGND) i masę zasilania (PGND)? Pytanie to jest zadawane przez wielu projektantów zasilaczy impulsowych. Niektórzy są przyzwyczajeni do cyfrowych i analogowych mas sygnałów; jednakże ich doświadczenie nierzadko zawodzi, jeśli chodzi o masę zasilania. Projektanci często kopiują wtedy układ dla wybranego regulatora przełączającego i przestają myśleć na ten temat.

Podział mas na PCB

PGND to połączenie, którym przepływają wyższe prądy tętniące. W zależności od topologii przetwornicy impulsowej oznacza to prądy płynące przez tranzystor mocy bądź prądy tętniące na etapie sterownika mocy. Jest to istotne w przypadku kontrolerów impulsowych, np. z zewnętrznymi kluczami zasilania.

AGND, czasami nazywana też SGND (masa sygnałowa) to masa, którą inne sygnały, zazwyczaj małe, używają jako wzorcowej. Wlicza się w to m.in. wewnętrzne napięcie referencyjne potrzebne do regulacji napięcia wyjściowego. Napięcia łagodnego rozruchu i włączenia również odnoszą się do masy analogowej

Różne podejścia

Obecne są dwa techniczne podejścia, a zatem różne opinie ekspertów dotyczące obsługi tych dwóch mas.

Według pierwszego podejścia, masy AGND i PGND na układzie przetwornicy impulsowej powinny być złączone ze sobą tuż obok odpowiednich pinów. Dzięki temu różnica napięcia pomiędzy dwoma pinami jest względnie mała. W ten sposób układ przetwornicy może być chroniony przed zakłóceniami, a nawet przed zniszczeniem. Wszystkie masy w obwodzie i ewentualna płaszczyzna masy są połączone we wspólnym punkcie w topologii gwiazdy. Rysunek 1 pokazuje przykład implementacji tego podejścia. Przedstawiono na nim layout płytki dla LTM4600. Jest to mikromoduł 10 A. Oddzielne masy na płytce są połączone tuż obok siebie (patrz niebieski owal na Rysunku nr 1). Ze względu na pasożytniczą indukcyjność odpowiednich połączeń łączących krzem i obudowę, a także na indukcyjność pinów, istnieje już pewne odsprzęganie PGND i AGND, co skutkuje małą ilością wzajemnych zakłóceń pomiędzy obwodami na krzemie.

Rys. 1. Lokalne połączenie PGND i AGND na styku lutowniczym

Inne podejście zakłada dodatkowe oddzielenie AGND i PGND na płytce. Dwie oddzielne płaszczyzny masy połączone są ze sobą we wspólnym punkcie. Poprzez to połączenie sygnały zakłócające (napięcie offsetu) pozostają w dużej mierze w rejonie PGND. Napięcie w rejonie AGND pozostaje odporne na zakłócenia i jednocześnie odprzęgnięte od PGND. Wadą jest jednak to, że w zależności od stanów nieustalonych w prądach tętniących i natężeniach prądu, mogą występować znaczne różnice napięć pomiędzy PGND i AGND na odpowiednich pinach. Może to prowadzić do nieprawidłowego działania lub nawet do uszkodzenia układu przetwornicy. Rysunek nr 2 obrazuje implementację tego podejścia. Tu przedstawiono ADP2386, impulsowy stabilizator 6 A.

Kwestia uziemień sprowadza się do kompromisu pomiędzy silną separacją, wraz z korzyścią oddzielenia szumu i zakłóceń, a ryzykiem generowania różnic napięcia między dwoma uziemieniami. Mogą one powodować uszkodzenia krzemu i ograniczają funkcjonalność. Podjęcie właściwej decyzji w dużej mierze opiera się na tym, jak zaprojektowano układ scalony, wliczając w to:

  • prędkości pomiędzy przełączeniami,
  • poziomy mocy,
  • indukcyjności pasożytnicze na kablach łączących i obudowę układu scalonego, a także
  • ryzyko zatrzaskiwania w układach scalonych.

Wnioski:

Odpowiedź na pytanie jak razić sobie z masami analogowymi i zasilania nie jest taka prosta. Dlatego dyskusja trwa. Na początku wspomniałem, że wielu użytkowników przetwornic impulsowych akceptuje układ płytki i typ uziemienia z przykładowego obwodu dostarczonego przez producenta układu scalonego. Jest to przydatne, ponieważ zazwyczaj można założyć, że producent także przetestował dany układ scalony w tejże konfiguracji. W przykładach na rysunkach 1 i 2 widać, że wyprowadzenia układu scalonego są odpowiednie do miejscowego połączenia uziemienia w pobliżu PGND i AGND, lub do oddzielnego uziemienia.

Oczywiście, producenci układów mogą popełniać błędy podczas projektowania przykładowych układów. Dlatego też dobrze jest mieć dodatkowe informacje dotyczące różnych koncepcji rozdzielania mas.

O autorze

Frederik Dostal - Analog Devices

Studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen (Niemcy). Pracę zawodową rozpoczął w branży zarządzania energią w 2001. Pracował jako inżynier aplikacyjny systemów zasilających, następnie 4 lata w Phoenix, w stanie Arizona, specjalizując się w systemach zasilania typu switch mode. Od roku 2009 pracuje w monachijskim oddziale Analog Devices jako Power Management Segment Regional Marketing Engineer na teren Europy. Jednym z jego głównych zadań jest prowadzenie seminariów technicznych z zakresu projektowania systemów zasilania.