[RAQ] Gdy masa zasilania jest odseparowana

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 mas cyfrowych i analogowych, jednakże ich doświadczenie nierzadko zawodzi, jeśli chodzi o masy 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 step-down o wydajności 10 A. Oddzielne masy na płytce są połączone tuż obok siebie (patrz niebieski owal na rysunku 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 w układach scalonych.

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 2. obrazuje implementację tego podejścia. Przedstawiono tu układ ADP2386, stabilizator impulsowy o wydajności 6 A.

Rys. 2. Połączenie odseparowanych mas za pomocą przelotek pod padem GND

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

• czasy narastania i opadania,
• poziomy mocy,
• indukcyjności pasożytnicze na kablach łączących i obudowie układu scalonego, a także
• ryzyko zatrzaskiwania.

Wnioski

Odpowiedź na pytanie jak razić sobie z rozdzieleniem masy analogowej i masy zasilania nie jest taka prosta. Dlatego dyskusja na ten temat 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 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.