• مدار پایه‌ای مبدل کاهنده‌ی DC به DC
• بده بستان‌های انتخاب قطعات مبدل کاهنده
• خازن‌های خود را بشناسید
• اعتماد داشته باش، اما صحت‌سنجی کن: تراشه‌ها و قطعات
• حتماً بیازمایید و اندازه بگیرید
• ظرفیت خازنی ورودی را تحلیل کنید
• به شمای PCB، از پیش فکر کنید
• محدودیت‌های طراحی خود را شناسایی کنید و به آن پایبند باشید

مدار پایه‌ای مبدل کاهنده‌ی DC به DC

قبل از شروع، اجازه دهید مدار مبدل کاهنده‌ی DC به DC را مرور کنیم:

بده بستان‌های انتخاب قطعات مبدل کاهنده

فهم بده بستان‌های طراحی که با آن مواجه هستید، مهم است.

برای کمک به شما، ماتریسی از چیزهایی که بر طراحی مبدل کاهنده اثرگذار است، ایجاد کرده‌ام:

 بده بستان‌های اصلی برای دستیابی به ریپل و پاسخ گذار مناسب [در خروجی]، موارد زیر است: انتخاب اندوکتانس (که به طور معکوس با «ضریب کا»[1]، یا همان نسبت جریان قله به قله به متوسط جریان سلف، مرتبط است)، ظرفیت خازنی، و «فرکانس کلیدزنی»[2].

طراحان برای تعیین پارامترهای قطعات و شبیه‌سازی مدار قطعاً باید از ابزارهای طراحی که تولید کنندگان ICهای رگولاتور فراهم کرده اند، استفاده کنند.

[1] k-factor

[2] switching frequency

خازن‌های خود را بشناسید

• اطمینان حاصل کنید خازن‌ها ظرفیت مورد نظر برای فرکانس کار مدارتان را دارند. همچنین باید «فرکانس تشدید»[1] خازن را بدانید.
• خازن‌های سرامیکی در گستره‌ی وسیعی از فرکانس‌ها مناسب اند اما ظرفیت خازنی کمی دارند. معمولاً یک نوع خازن نمی‌تواند کل محدوده‌ی فرکانسی را پوشش دهد و باید از دو نوع خازن مختلف (برای مثال، سرامیکی و الکترولیتی) به موازات هم استفاده شود و خازن سرامیکی باید به مدار [مبدل] نزدیک‌تر باشد.
• همچنین اگر ولتاژ بایاس وجود داشته باشد، خازن‌ها بخش زیادی از ظرفیت اسمی خود را از دست می‌دهند.

[1] self-resonant frequency

اعتماد داشته باش، اما صحت‌سنجی کن: تراشه‌ها و قطعات

• در PCBهایی که توسط شخص ثالث ساخته شده است و در آن قطعات بی‌نام و نشان به کار رفته است، مجبورید به «قطعه‌چپان بورد»[1] اعتماد کنید و فرض را بر این بگذارید که قطعات به درستی نصب شده اند. مطمئن شوید که اعتماد شما نابجا نبوده باشد.  
• اگر تراشه‌ای را برای عیب‌یابی به کارخانه‌ی تولیدی ارسال کرده‌اید، معطل نتیجه نمانید. این روزها کیفیت تراشه‌ها بسیار بالا است و بسیار بعید است که تراشه‌ی شما بی‌کیفیت باشد. همچنین، فرآیند عیب‌یابی تراشه زمان‌بر است. در این مدت شما می‌توانید مشکل واقعی را بیابید.
• اگر از تراشه‌ی دیجیتال استفاده می‌کنید، بررسی کنید که تنظیمات شما واقعاً در تراشه نوشته شده باشد، نه این که صرفاً در رابط گرافیکی کاربر (GUI) درج شده باشد.

[1] board stuffer

حتماً بیازمایید و اندازه بگیرید

• پیش از بررسی با اسیلوسکوپ، چنین فرض نکنید که ولتاژهای DC با ثبات است.
• راه‌های مختلفی برای اندازه‌گیری ریپل وجود دارد ( و دستگاه مناسبی که این اندازه‌گیری را انجام دهد، گران است). بهترین کار آن است که از «پروب تفاضلی»[1] استفاده کنید. البته از «پروب تک‌سر»[2] نیز می‌توانید استفاده کنید. فقط مطمئن شوید که سیم زمین پروب تک‌سر کوتاه باشد و درست در کنار V_out متصل شده باشد.
  •  از پروب با ضریب نسبت تضعیف یک به یک استفاده کنید (خودتان می‌توانید چنین پروبی را بسازید). پروب با نسبت تضعیف 10 به 1، حساسیت مورد نیاز برای کار شما را ندارد.

[1] differential probe

[2] single-ended probe

ظرفیت خازنی پارازیتی سلف باعث جهش‌های ولتاژی فرکانس بالا در خروجی می‌شود. هرچند چنین کاری کارآیی را کاهش می‌دهد، اما ممکن است لازم باشد سرعت فعال شدن ماسفت بالایی را کم کنید تا سرعت نوسان کم شود، یا اینکه ممکن است dv/dt مربوط به فعال‌سازی کاذب ماسفت پایینی را کاهش دهید.

ظرفیت خازنی ورودی را تحلیل کنید.

• ظرفیت خازنی ورودی کمتر از ظرفیت خازنی خروجی شناخته شده است، اما ممکن است نیاز باشد بر نویز ورودی شرایطی حاکم شود که جریان کافی به مدار شما برسد.
• خازن‌های ورودی جریان‌های با ریپل بزرگ ایجاد می‌کنند که با دوره‌ی زمانی 50 درصد به بیشینه‌ی خود می‌رسند. این جریان‌ها گرما ایجاد می‌کند و از طول عمر خازن می‌کاهند. مطمئن شوید که جریان در محدوده‌ی مجاز تعیین شده قرار دارد. برای اضافه کردن C_in‌های موازی، یک بده بستان اساسی وجود دارد. کاهش مقاومت سری معادل باعث افزایش جریان‌های ریپل و افزایش تولید گرما می‌شود. برای اینکه واقعاً بتوانید جریان ریپل ورودی را کم کنید، ممکن به یک سلف سری نیاز داشته باشید.
• هرچه چرخه‌ی زمانی قله‌ی جریان طولانی‌تر باشد، جریان کشیده شده از C_in بیشتر می‌شود و در نتیجه V_in افت بیشتری در تراشه دارد. زمانی که V_in از قبل پایین باشد، این افت محسوس‌تر خواهد شد و امکان کمتر شدن V_in بیشتر خواهد بود. در چنین شرایطی ممکن است لازم باشد C_in ها را بیفزایید.

به شمای PCB، از پیش فکر کنید.

• مسیرهای جریان را شناسایی کنید و حلقه‌های جریان بالا را کمینه کنید. در مدارس درباره‌ی مسیرهای مستقیم جریان در مدار بسیار گفته می‌شود، اما چیزی درباره‌ی مسیرهای بازگشت جریان که معمولاً با علامت زمین ایده‌آل نشان داده می‌شود، گفته نمی‌شود! شمای بورد را به گونه‌ای ایجاد کنید که جریان‌های برگشتی بتوانند مسیرهای طبیعی خود (یعنی حلقه‌های جریانی کمینه) را دنبال کنند.
• اندوکتانس‌های مسیر تغذیه را پایین نگه دارید. ایجاد پالس‌های جریان در این مسیرها باعث جهش‌های ولتاژی می‌شود و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ساطع می‌کند. هرچه وایا[1] (یعنی اتصال‌های مسیر جریان در لایه‌های مختلف) بزرگ‌تر باشد، بهتر است، اما باید مشخصات این مسیرها به خوبی درک شود.
• سطح امپدانسی را برای گره‌های مدار به صورت حدودی حساب کنید و به طور مناسب از آن‌ها محافظت کنید. برای مثال، «تقویت‌کننده‌ی خطا»[2] امپدانس بالا و حساس به نویز است. آن را ایزوله کنید و امپدانس آن را کوچک کنید.
• جداسازی بین قسمت‌های دیجیتال، آنالوگ، و زمین‌های تغذیه‌ی مدار را رعایت کنید و مسیرهای برگشت طبیعی را فراهم کنید. با استفاده از «اتصال زمین ستاره‌ای»[3] می‌توان از ایجاد پالس‌های جریانی بزرگ در مسیرهای زمین مشترک بین مدارهای سطح پایین حساس، جلوگیری کرد.

[1] via

[2] error amp

[3] Star grounding

محدودیت‌های طراحی خود را شناسایی کنید و به آن پایبند باشید.

• مطمئن شوید که «منحنی کاهش توان گرمایی»[1] را در طراحی خود لحاظ کرده‌ باشید (چراکه در دمای بالا، بیشینه‌ی جریان و میزان توان از مقادیر نامی خود کمتر است).
• مطمئن شوید ولتاژ پین‌های آی‌سی‌ها فراتر از مقدار مجاز خود نشوند، چه این پین‌ها به زمین وصل شده باشند یا به پین قطعه‌ی دیگر.  برای مثال، برق‌دار کردن یک پین بر اساس مشخصات پین به زمین، اما انحراف از محدوده‌ی مجاز برای ولتاژ پین به پین ممکن است منجر به سوختن تراشه شود.
• به کمینه یا بیشینه‌ی زمان‌های خاموش و روشن شدن کنترل‌پذیر تراشه‌ی کنترل‌گر توجه کنید و مطمئن شود که نقطه‌ی کار مدارتان بیش از حد به این کرانه‌ها نزدیک نباشد.

[1] thermal derating curves

منبع:

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/dc-dc-buck-converter-design-tips-and-tricks/