Что же такое на самом деле «горячая петля»?

Вопросы трассировки проводников печатных плат и электромагнитной совместимости часто связаны с явлением горячей петли импульсного регулятора

Термин «горячая петля» используют тогда, когда речь идет об импульсных регуляторах и характеристиках их электромагнитной совместимости (ЭМС). Эта тема особенно актуальна при оптимизации разводки печатных плат. Но что именно означает «горячая петля»?

Токи в импульсных регуляторах всегда прерывистые, и обычно они относительно высоки. Всякий раз, когда течет ток, он генерирует магнитное поле. Если большие токи переключаются быстро, генерируется переменное магнитное поле. Кроме того, если токи переключаются через некоторую паразитную индуктивность проводника печатной платы, это создает смещение напряжения. Ток может иметь емкостную связь с соседними участками схемы и увеличивать шумы, излучаемые источником питания. Таким образом, мы можем констатировать, что коммутируемые токи являются основной причиной помех в импульсном источнике питания.

На Рисунке 1 изображена простая топология понижающего преобразователя. Все линии, через которые проходит непрерывный ток, показаны синим цветом, а все линии, в которых токи быстро переключаются, показаны красным.

Рисунок 1.	Пути непрерывного тока показаны синим, а коммутируемого тока – красным.

Красные пути на Рисунке 1 являются критическими путями. Они выглядят как токовая петля, а поэтому и называются петлей. «Горячая петля» означает, что эта петля требует особого внимания, так как через нее проходят быстро переключаемые токи.

Если посмотреть на эту петлю более внимательно, можно увидеть, что реальный ток через красную петлю на Рисунке 1 никогда не протекает, так как оба ключа никогда не включаются одновременно. Это всего лишь комбинация отдельных линий, по которым в одно время ток течет, а в другое не течет. На Рисунке 2 к отдельным соединительным линиям добавлены стрелки, показывающие направление движения тока. Кроме того, добавлены символы, показывающие, в какую часть периода текут обозначенные токи. В остальные моменты времени ток через проводник не проходит.

Рисунок 2.	Иллюстрация путей с различными направлениями прохождения тока в горячей петле.

В Таблице 1 показано, когда каждая обозначенная красной стрелкой линия на Рисунке 2 проводит ток, и когда – нет. В активной фазе каждого рабочего цикла понижающего регулятора ключ верхнего плеча замкнут, а нижнего – разомкнут, и ток из входного конденсатора идет через ключ верхнего плеча, но через нижний ключ ток не течет. В пассивной фазе цикла ток проходит через ключ нижнего плеча (от земли к коммутационному узлу), а в трех других ветвях, обозначенных красными стрелками, ток отсутствует.

Таблица 1.	Состояния ключей верхнего и нижнего плеча в циклах работы понижающего регулятора
Цикл понижающего регулятора Обозначение на Рисунке 2 Ключ верхнего плеча Ключ нижнего плеча Активный Вкл. Выкл. Пассивный Выкл. Вкл.

На Рисунке 2 легко увидеть, что горячая петля не является независимым токовым контуром. Скорее, это всего лишь виртуальная токовая петля, образованная компонентами двух реальных токовых петель.

Рисунок 3.	Эти реальные контуры тока образуют так называемые «горячие петли».

На Рисунке 3 показаны реальные токовые петли, на которых основана схема. Одна петля тока изображена синим цветом, другая зеленым. Ток переключается между этими полными петлями то в одном направлении, то в другом. Однако в некоторых ветвях направления токов совпадают для обеих петель. Таким образом, накладываясь, они образуют непрерывный ток и, следовательно, с точки зрения ЭМС не являются критическими. Эти контуры не считаются горячими петлями.

Горячие петли в импульсных регуляторах различаются в зависимости от топологии регулятора. Они должны быть как можно более узкими и компактными, чтобы минимизировать как создаваемый ими шум, так и его распространение на другие части схемы. Разработанная Analog Devices технология Silent Switcher 2 делает критические горячие петли минимально возможными благодаря интеграции входных конденсаторов в корпус микросхемы. Кроме того, за счет разделения горячей петли на два контура симметричные формы, создаются два магнитных поля противоположных полярностей, что в значительной степени подавляет излучаемый шум. Примером импульсного регулятора, в котором реализована эта технология, может служить микросхема Power by Linear LT8609S.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT8609S