Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

En potentiell störningskälla är ­kopplingsnoden (switch node), som kallas SW på många kretsscheman. SW-nodens koppar kan fungera som en antenn för de störningar som genereras av snabba switchförlopp. Detta är den viktigaste störkällan för flertalet switchregulatorer.
Mängden av koppar i SW-noden i översta skiktet bör verkligen minimeras för att begränsa antennens storlek. Med en monolitisk switchregulator går SW-noden från kretsen till induktorn med en kort ledare i översta lagret. Med en extern styrkrets kan SW-noden vara fristående vid switchningen, på avstånd från den integrerade kretsen. SW-nodens koppar ansluts till ena sidan av induktorn i buck/boost-baserade switch­topologier. På grund av ett antal inblandade prestandaparametrar kan layout av SW-nodens första lager i XY-planet på kretskortet, eller på interna lager, liknas vid svart magi.

Induktorn geometri
Med tanke på induktorns terminaler har SW-noden givetvis även vertikal utbredning (Z-planet). Induktorterminalernas vertikala orientering kan öka SW-nodens antenn­effekt och öka störningarna. Dessutom är induktorns inre lindningar eventuellt inte symmetriska. Även om en induktors symmetriska terminaler tycks tyda på att kapseln döljer en symmetrisk konstruktion avslöjar polaritetsmarkeringen ovanpå komponenten att så inte är fallet.

Dessutom kan induktorer med en exponerad SW-nod på sidan fungera sämre än de med skärmad vertikal metall. En kortkonstruktör kan välja induktorer med minst antal vertikala och exponerade terminaler för att minska störningarna, men hur är det med orienteringen av de två induktorterminalerna och den relativa effekten på störningarna?

Störningarna visar vägen
Emissionen från ett kretskort är en kombination av kretsens emissionsprestanda och layoutöverväganden. Även med en lågemmi­terande monolitisk integrerad krets måste man vara försiktig med layouten samtidigt som man tar hänsyn till monteringen av de viktigaste störande komponenterna. För att bevisa detta undersökte vi effekterna av orienteringen på kortet för huvudinduktorn, L1, i en LT8386-demokrets. I detta fall markerar tillverkaren Coilcraft den korta terminalen i XAL6060-serien med ett vitt streck ovanpå komponenten. Standardtest enligt CISPR 25 för ledningsbunden emission och utstrålad emission i EMI-kammare visar att placeringsriktningen för denna induktor har kritisk inverkan på prestanda.

Emissionsprestanda för DC3008A påverkas direkt av L1s orientering på demokretsen när inga andra komponenter förändras. Specifikt ger orientering 1 – det vill säga när den korta sidans terminal placeras på SW-noden – mindre lågfrekvent utstrålad emission (150 kHz till 150 MHz) och ledningsbunden emission på FM-banden (70 MHz till 108 MHz). En skillnad på mellan 17 dBµV/m och 20 dBµV/m på AM-bandet kan inte ignoreras.

Alla induktorer är inte likadana. Lindningsriktningen, terminalernas form, terminalanslutningarnas form och även kärnans material kan variera. H- och E-fältens styrka med olika kärnmaterial och konstruktion kan göra induktorerna olika störande. Den här fallstudien påvisar dock ett problemområde, som kan utnyttjas till vår fördel.

Induktorer som inte indikerar orienteringen
Orienteringen bestäms lätt om induktortillverkaren markerar en inre skillnad i terminalstorlek med ett streck eller en prick på ovansidan. Om en sådan induktor väljs för en konstruktion är det klokt att ange markeringen på kretskortets monteringsdiagram samt även i kretsschemat. Vissa induktorer saknar tyvärr markering. Den inre lindningsstrukturen är kanske i det närmaste symmetrisk eller den strukturella skillnaden kan vara känd. Detta är inte illa uppsåt – tillverkaren känner kanske inte till att deras produkter har en inneboende egenskap som medger denna mycket speciella avvägning för monteringsriktningen. Oavsett detta föreslår vi att emission för valda induktorer utvärderas i certifierad EMI-kammare i båda orienteringarna.

Ibland saknas extern markering och induktorns monteringsriktning är oundvikligen godtycklig – men induktorn önskas på grund av andra parametrar. Würth Elektroniks metallegeringsbaserade WE-MAPI-kraftinduktorer är exempelvis små och verkningsfulla. De har bara terminaler på kapselns undersida. Varje enhet har en prick på ovansidan nära logotypen, men pricken anges inte i databladet som början på lindningen. Även om detta inledningsvis leder till viss förvirring förväntas enheten utföra detsamma i båda monteringsorienteringarna med en ganska symmetrisk inre lindningsstruktur. Pricken på kretsens ovansida behöver därför inte anges på monteringsschemat. Om den används i en EMI-kritisk krets kan det dock vara klokt att testa i båda riktningarna för att vara säker.

Ett annat exempel: Würth WE-XHMI
Vi testade DC3008A med en högpresterande Würth-induktor vars lindningsbörjan indikeras av en prick ovanpå kapseln och i databladet (se figur till höger). Den 74439346150 15 µH-induktorn passar utmärkt för LT8386s formfaktor och strömbehov. Återigen, för jämförelse med Coilcraft utfördes EMI-tester med denna induktor monterad i båda riktningarna.

Resultaten liknar Coilcraft-induktorns. EMI-resultaten visar att induktorns orientering vid monteringen har betydande effekt på störningarna. I detta fall är orientering 1 helt klart den bästa riktningen för lägsta emission. Emission av lägre frekvens på AM-bandet och FM-bandet är klart bättre med orientering 1.

Slutsats
Induktorns monteringsorientering i switchregulatorer spelar roll. Vid mätning av emission, var uppmärksam på både induktorns orientering och dess repeterbarhet – var medveten om eventuella skillnader beträffande den valda induktorn, testa i båda riktningarna och kommunicera tydligt till korttillverkningen eventuella fallgropar vid monteringen om orienteringen inte kan fastställas. Ett så enkelt ingrepp som att rotera induktorn 180 grader skulle kunna minska störningarna.