Hot Loop چیست؟ راهنمای کاهش نویز EMI در منابع تغذیه سوئیچینگ با طراحی صحیح PCB

کاهش نویز EMI در منابع تغذیه سوئیچینگ فقط به انتخاب فیلتر، سلف و خازن مناسب وابسته نیست. نحوه جانمایی قطعات و مسیرکشی PCB نیز نقش مهمی در عملکرد الکترومغناطیسی مدار دارد. یکی از مهم‌ترین بخش‌هایی که طراح باید هنگام Layout بررسی کند، حلقه‌ای به نام Hot Loop است.

تصور کنید یک مبدل Buck طراحی کرده‌اید. ولتاژ خروجی مناسب است و مدار بار موردنظر را تغذیه می‌کند، اما هنگام آزمایش EMI با نویز قابل‌توجهی مواجه می‌شوید.

شاید اولین راهکار شما افزودن فیلتر یا تغییر مقدار خازن باشد؛ درحالی‌که مشکل می‌تواند از فاصله نامناسب خازن ورودی تا قطعات سوئیچینگ و مساحت زیاد حلقه جریان ناشی شود.

در این مقاله، مفهوم Hot Loop را بررسی می‌کنیم و نشان می‌دهیم چگونه طراحی صحیح PCB می‌تواند انتشار نویز را کاهش دهد.

۱. Hot Loop چیست و چه نقشی در کاهش نویز EMI دارد؟

در منابع تغذیه سوئیچینگ، ترانزیستورها به‌صورت متناوب روشن و خاموش می‌شوند. این فرایند باعث تغییر سریع جریان در بعضی مسیرهای مدار می‌شود.

به حلقه‌ای که جریان آن هنگام کلیدزنی با سرعت زیادی تغییر می‌کند و مؤلفه‌های فرکانس بالای قابل‌توجهی دارد، Hot Loop می‌گویند.

نکته مهم این است که Hot Loop الزاماً همان مسیری نیست که بیشترین جریان متوسط را حمل می‌کند. برای پیدا کردن آن باید مسیر جریان را در وضعیت‌های مختلف کلیدزنی بررسی کنیم.

در صفحه اول سند AN139، شرکت Linear Technology توضیح می‌دهد که در مبدل Buck، حلقه اصلی تولیدکننده EMI از تفاوت مسیر جریان در دو وضعیت روشن و خاموش کلیدها به دست می‌آید.

چرا تغییر سریع جریان اهمیت دارد؟

هر مسیر مسی اندوکتانس پارازیتی دارد. تغییر سریع جریان در این اندوکتانس می‌تواند ولتاژ گذرا ایجاد کند:

$$V_L=L\frac{di}{dt}$$

در این رابطه، $L$L اندوکتانس مسیر و $di/dt$di/dt سرعت تغییر جریان است.

با افزایش اندوکتانس یا سرعت تغییر جریان، دامنه ولتاژ القایی نیز افزایش پیدا می‌کند.

بنابراین، حتی مسیرهای کوتاه مسی می‌توانند هنگام سوئیچینگ سریع بر عملکرد مدار تأثیر بگذارند.

Hot Loop همچنین میدان مغناطیسی متغیری ایجاد می‌کند. اگر مساحت مؤثر حلقه افزایش یابد، امکان افزایش کوپلینگ و انتشار نویز نیز وجود دارد.

هدف اصلی در طراحی Hot Loop، کاهش اندوکتانس و مساحت مؤثر حلقه جریان سوئیچینگ است.

۲. شناسایی Hot Loop برای کاهش نویز EMI

برای شناسایی Hot Loop، یک مبدل Buck سنکرون را در نظر بگیرید.

این مدار شامل دو کلید قدرت، خازن ورودی، سلف و خازن خروجی است.

در یک مبدل معمولی، کلید بالایی و پایینی به‌صورت مکمل کنترل می‌شوند؛ البته زمان مرده و جزئیات هدایت دیود بدنه نیز باید در طراحی واقعی در نظر گرفته شوند.

حالت اول: کلید بالایی روشن است

در این وضعیت، جریان از خازن ورودی و کلید بالایی به سمت سلف و خروجی حرکت می‌کند.

انرژی به سلف و بار منتقل می‌شود.

حالت دوم: کلید بالایی خاموش است

با خاموش شدن کلید بالایی، جریان سلف باید همچنان ادامه پیدا کند.

در این وضعیت، کلید پایینی یا دیود هرزگرد مسیر جریان سلف را فراهم می‌کند.

حلقه بحرانی کجاست؟

اگر مسیر جریان دو وضعیت را با هم مقایسه کنیم، بخش مشترک مربوط به سلف و خروجی حذف می‌شود.

حلقه‌ای که باقی می‌ماند شامل خازن ورودی و دو کلید قدرت است.

این همان Hot Loop اصلی مبدل Buck سنکرون است.

در شکل ۱ سند AN139، نویسنده مسیرهای جریان وضعیت روشن و خاموش را با رنگ‌های متفاوت نشان می‌دهد و حلقه حاصل از تفاوت آن‌ها را به‌عنوان Hot Loop معرفی می‌کند.

نکته کاربردی: برای پیدا کردن Hot Loop در هر توپولوژی، ابتدا مسیرهای جریان هر وضعیت کلیدزنی را مشخص کنید. سپس بررسی کنید کدام شاخه‌ها تغییر جریان شدید دارند.

۳. نقش خازن ورودی در کاهش نویز EMI منابع تغذیه سوئیچینگ

خازن ورودی یا $C_{IN}$CIN​ یکی از قطعات کلیدی Hot Loop است.

این خازن باید جریان‌های گذرای فرکانس بالا را تا حد امکان به‌صورت محلی تأمین کند تا جریان سوئیچینگ مجبور نباشد تمام مسیر منبع تغذیه و سیم ورودی را طی کند.

اما انتخاب ظرفیت مناسب به‌تنهایی کافی نیست.

فرض کنید یک خازن سرامیکی با ظرفیت مناسب انتخاب کرده‌اید؛ ولی آن را چند سانتی‌متر دورتر از آی‌سی مبدل قرار می‌دهید.

در این حالت، مسیر اتصال خازن به پایه VIN و مسیر برگشت آن به PGND به حلقه جریان اضافه می‌شوند. اندوکتانس ناشی از این اتصال می‌تواند اثر خازن را در فرکانس‌های بالا کاهش دهد.

Texas Instruments نیز در صفحه ۲۰ سند طراحی درایور موتور توضیح می‌دهد که اندوکتانس مسیر خازن بای‌پس می‌تواند باعث ایجاد Ringing در ولتاژ یا جریان تغذیه شود.

خازن ورودی را کجا قرار دهیم؟

خازن بای‌پس فرکانس بالا باید نزدیک پایه VIN و مسیر بازگشت قدرت قرار بگیرد.

اتصال آن به دو سر حلقه کلیدزنی باید کوتاه و کم‌اندوکتانس باشد.

نزدیکی فیزیکی تنها معیار نیست؛ مسیر واقعی مس، موقعیت پدها و Viaها نیز اهمیت دارند.

در مبدل‌هایی که MOSFET داخلی دارند، رعایت Layout پیشنهادی سازنده معمولاً به کاهش طول اتصالات بحرانی کمک می‌کند.

۴. چرا Ground Plane در کاهش EMI اهمیت دارد؟

صفحه زمین یا Ground Plane علاوه بر فراهم کردن مرجع الکتریکی، می‌تواند بر میدان مغناطیسی ناشی از Hot Loop تأثیر بگذارد.

در یک PCB چندلایه، اگر یک صفحه مسی پیوسته نزدیک حلقه سوئیچینگ قرار بگیرد، جریان‌های القایی در آن می‌توانند بخشی از میدان مغناطیسی حلقه را خنثی کنند.

فاصله میان حلقه و صفحه مسی در میزان این اثر اهمیت دارد.

برای کاهش نویز EMI، طراح باید ارتباط میان حلقه جریان سوئیچینگ و صفحه زمین را بررسی کند. کوچک کردن Hot Loop و انتخاب ساختار مناسب لایه‌های PCB می‌تواند به کاهش انتشار نویز کمک کند.

یک مثال واقعی از سند AN139

در صفحه دوم این سند، آزمایشی روی یک حلقه مستطیلی ۱۰ در ۱۰ سانتی‌متر گزارش شده است.

نتایج نشان می‌دهند که در آرایش آزمایش، اندوکتانس حلقه بدون صفحه زیرین ۱۸۷ نانوهانری بوده است.

با قرار گرفتن صفحه مسی در فاصله بسیار کم از حلقه، مقدار اندازه‌گیری‌شده به ۱۳ نانوهانری رسیده است.

این نتیجه مربوط به ساختار آزمایش‌شده در سند است و نباید آن را به‌عنوان درصد بهبود تضمین‌شده برای تمام PCBها در نظر گرفت.

برای طراحی عملی، یک Stack-up مناسب با صفحه زمین پیوسته نزدیک لایه قطعات قدرت می‌تواند به کاهش اندوکتانس و انتشار نویز کمک کند.

بااین‌حال، جریان‌های القایی در صفحه زمین ممکن است روی نواحی حساس نیز اثر بگذارند. بنابراین، جانمایی مدارهای آنالوگ و مسیرهای حساس در کنار بخش قدرت اهمیت دارد.

۵. پنج اشتباه رایج در طراحی Hot Loop

مشکلات Layout معمولاً از یک اشتباه بزرگ ناشی نمی‌شوند؛ چند تصمیم کوچک می‌توانند در کنار هم حلقه‌ای نامناسب ایجاد کنند.

۱. جانمایی خازن ورودی در فاصله زیاد: مسیر طولانی میان خازن و کلیدهای قدرت به اندوکتانس حلقه اضافه می‌کند.

۲. تمرکز صرف بر عرض مسیر مسی: افزایش عرض مسیر می‌تواند مفید باشد، اما مسیر برگشت و مساحت حلقه نیز باید بررسی شوند.

۳. عبور حلقه سوئیچینگ از چند لایه بدون برنامه‌ریزی: تغییر لایه و موقعیت Viaها ممکن است طول مسیر و اندوکتانس اتصال را افزایش دهد.

۴. قرار دادن مدارهای حساس کنار ناحیه سوئیچینگ: کوپلینگ میدان و نویز می‌تواند روی مسیرهای فیدبک و اندازه‌گیری اثر بگذارد.

۵. تلاش برای اصلاح EMI فقط با افزودن فیلتر: فیلتر ممکن است بخشی از مشکل را کنترل کند، اما Layout نامناسب همچنان باقی می‌ماند.

سند AN139 تأکید می‌کند که بهینه‌سازی اولیه Layout می‌تواند نیاز به فیلترهای اضافی، شیلدینگ و تکرار آزمون‌های EMI را کاهش دهد.

۶. مثال عملی: مقایسه دو Layout برای یک مبدل Buck

فرض کنید یک مبدل Buck با ورودی ۲۴ ولت و خروجی ۵ ولت طراحی می‌کنیم.

مدار شامل خازن ورودی، دو MOSFET، سلف و خازن خروجی است.

هر دو نسخه از شماتیک یکسانی استفاده می‌کنند؛ تنها تفاوت آن‌ها در جانمایی و مسیرکشی PCB است.

این دیاگرام‌ها فقط مقایسه مفهومی جانمایی هستند و تمام اتصالات الکتریکی مبدل Buck را نمایش نمی‌دهند.

از نظر طراحی انتظار داریم نسخه دوم اندوکتانس حلقه کمتری داشته باشد؛ اما برای تأیید میزان بهبود EMI باید برد واقعی را آزمایش کنیم.

چگونه دو طراحی را آزمایش کنیم؟

در یک مقایسه معتبر، باید ولتاژ ورودی، بار، فرکانس سوئیچینگ و تجهیزات اندازه‌گیری در هر دو نمونه یکسان باشند.

سپس می‌توان شکل موج Switch Node، نویز ورودی و طیف EMI را بررسی کرد.

برای اندازه‌گیری نویز هدایتی، استفاده از LISN و گیرنده مناسب امکان مقایسه دقیق‌تری فراهم می‌کند. سند AN139 در پیوست E به روش‌های اندازه‌گیری EMI و استفاده از LISN اشاره می‌کند.

بدون نتایج واقعی نمی‌توان ادعا کرد که یک تغییر مشخص در Layout حتماً چند دسی‌بل نویز را کاهش می‌دهد.

۷. آیا کوچک کردن Hot Loop برای کاهش نویز EMI کافی است؟

خیر. کوچک کردن حلقه جریان سوئیچینگ یکی از اقدامات اصلی طراحی است، اما تنها عامل تعیین‌کننده نیست.

منابع دیگری مانند میدان الکتریکی Switch Node، مسیرهای گیت، کوپلینگ میان سلف‌ها و جانمایی فیلتر ورودی نیز می‌توانند بر EMI اثر بگذارند.

سند AN139 هنگام بررسی بهینه‌سازی EMI توصیه می‌کند ابتدا Stack-up و صفحه نزدیک حلقه را بررسی کنیم. سپس باید اتصالات فیلتر، خازن‌ها و فاصله میان سلف فیلتر و سلف اصلی را در نظر بگیریم.

افزایش بی‌دلیل سطح مس Switch Node نیز همیشه مفید نیست؛ سطح بزرگ‌تر این گره می‌تواند کوپلینگ خازنی را افزایش دهد. بنابراین، طراحی نهایی باید میان انتقال حرارت، ظرفیت پارازیتی و نیازهای جریان تعادل برقرار کند.

سؤالات متداول درباره Hot Loop

Hot Loop دقیقاً کدام قسمت مبدل Buck است؟

در یک Buck سنکرون، حلقه اصلی شامل خازن ورودی و کلیدهای بالا و پایین است. این حلقه را می‌توان از تفاوت مسیرهای جریان دو وضعیت کلیدزنی شناسایی کرد.

آیا افزایش عرض Track باعث کاهش EMI می‌شود؟

افزایش عرض مسیر در بعضی شرایط به کاهش امپدانس کمک می‌کند؛ اما اگر مساحت حلقه همچنان بزرگ باشد، مشکل اصلی ممکن است باقی بماند.

آیا خازن ورودی بزرگ‌تر همیشه بهتر است؟

خیر. ظرفیت، ESR، ESL و موقعیت خازن باید متناسب با شرایط مدار انتخاب شوند. خازنی با ظرفیت بیشتر اما مسیر اتصال نامناسب، الزاماً عملکرد فرکانس بالای بهتری ندارد.

آیا Hot Loop فقط در مبدل Buck وجود دارد؟

خیر. توپولوژی‌هایی مانند Boost، Buck-Boost و SEPIC نیز حلقه‌های بحرانی خود را دارند. محل این حلقه‌ها با توجه به مسیرهای جریان کلیدزنی تعیین می‌شود.

آیا با طراحی صحیح Hot Loop دیگر به فیلتر EMI نیاز نداریم؟

نمی‌توان چنین نتیجه‌ای گرفت. Layout مناسب می‌تواند نویز را از منشأ کاهش دهد، اما نیاز نهایی به فیلتر به مدار، کابل‌ها، شرایط کاری و الزامات آزمون بستگی دارد.

جمع‌بندی؛ کاهش EMI را از Layout شروع کنید

Hot Loop یکی از مهم‌ترین نواحی در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ است.

این حلقه جریان‌های دارای تغییرات سریع را حمل می‌کند و می‌تواند به یکی از منابع اصلی نویز الکترومغناطیسی تبدیل شود.

با شناسایی صحیح حلقه، جانمایی نزدیک خازن ورودی، کاهش اندوکتانس مسیر و انتخاب Stack-up مناسب می‌توان شرایط بهتری برای عملکرد مدار فراهم کرد.

در مرحله نهایی، آزمایش‌های الکتریکی و EMI باید اثربخشی اصلاحات را تأیید کنند.

پس از تکمیل طراحی و آماده‌سازی فایل‌های ساخت، می‌توانید از طریق صفحه سفارش PCB از چین  خدمات پایلوتک را بررسی کنید یا برای محاسبه هزینه به بخش استعلام قیمت PCB  مراجعه کنید.

منابع تخصصی مقاله

۱. Linear Technology — Application Note 139

Power Supply Layout and EMI، نوشته Christian Kueck، اکتبر ۲۰۱۲.

صفحات ۱ تا ۳: تعریف Hot Loop، مسیر جریان مبدل Buck و اثر صفحه زمین نزدیک حلقه.

صفحات ۱۱ و ۱۲: بهینه‌سازی EMI و جانمایی فیلتر.

پیوست E، صفحه ۱۹: اندازه‌گیری EMI.

۲. Texas Instruments — SLVA959B

Best Practices for Board Layout of Motor Drivers، ویرایش اکتبر ۲۰۲۱.

صفحات ۱۹ تا ۲۲: جانمایی خازن‌های Bulk و Bypass.

صفحات ۲۶ تا ۲۸: مسیرهای جریان بالا و Switch Node.

مشاهده PDF رسمی Texas Instruments