طراحی PCB درایور موتور؛ ۵ اشتباه رایج که باعث نویز، Ringing و اختلال مدار می‌شوند

طراحی PCB درایور موتور فقط به انتخاب MOSFET مناسب، محاسبه جریان و تکمیل شماتیک محدود نمی‌شود. جانمایی قطعات و مسیرکشی برد نیز بر نویز، تنش ولتاژی و عملکرد سیستم کنترل موتور تأثیر می‌گذارند.

تصور کنید یک مدار H-Bridge برای کنترل موتور DC طراحی کرده‌اید. میکروکنترلر فرمان PWM را ارسال می‌کند، درایور گیت به‌درستی عمل می‌کند و اتصالات شماتیک نیز صحیح هستند. بااین‌حال، هنگام راه‌اندازی موتور، نوسانات شدیدی روی Switch Node مشاهده می‌کنید یا مدار حفاظت اضافه‌جریان بدون دلیل مشخص فعال می‌شود.

در چنین شرایطی، تغییر برنامه میکروکنترلر یا تعویض MOSFET لزوماً مشکل را برطرف نمی‌کند. منشأ اختلال ممکن است اندوکتانس پارازیتی مسیرها، جانمایی نامناسب خازن‌ها یا مسیر اشتباه سیگنال اندازه‌گیری جریان باشد.

شرکت Texas Instruments در راهنمای طراحی PCB درایور موتور، این مسائل را در بخش‌های مربوط به MOSFET Placement، Power Stage Routing و Current Sense بررسی می‌کند.

در ادامه، پنج اشتباه مهم را همراه با علت فیزیکی، پیامد احتمالی و راهکار عملی بررسی می‌کنیم.

۱. تأثیر جانمایی MOSFET بر طراحی PCB درایور موتور

یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی PCB درایور موتور، تعیین موقعیت MOSFETهای قدرت است.

در مدارهای Half-Bridge و H-Bridge، MOSFETها جریان موتور را کنترل می‌کنند. کلیدزنی سریع آن‌ها باعث تغییرات شدید جریان و ولتاژ در برخی مسیرهای برد می‌شود.

اگر مسیرهای اتصال طولانی باشند، اندوکتانس پارازیتی افزایش پیدا می‌کند. این اندوکتانس همراه با ظرفیت‌های پارازیتی MOSFET و PCB می‌تواند مدار تشدید ایجاد کند.

نتیجه ممکن است به شکل نوسانات ولتاژ یا Ringing ظاهر شود.

Switch Node چیست؟

در یک Half-Bridge متداول، نقطه اتصال سورس MOSFET بالایی به درین MOSFET پایینی را Switch Node می‌نامیم.

این گره به بار متصل است و هنگام کلیدزنی، تغییرات سریع ولتاژ را تجربه می‌کند.

Texas Instruments در صفحه ۲۶ سند خود، Switch Node را یکی از حساس‌ترین اتصالات قدرت معرفی می‌کند و اندوکتانس و ظرفیت پارازیتی MOSFETها و PCB را از عوامل اصلی Ringing می‌داند.

Ringing چگونه ایجاد می‌شود؟

در یک مدل ساده، فرکانس تشدید مجموعه اندوکتانس و ظرفیت پارازیتی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$f_r=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$$fr​=2πLC​1​

در این رابطه، L اندوکتانس مؤثر و C ظرفیت مؤثر مدار تشدید است.

این رابطه فقط یک مدل تقریبی است. در مدار واقعی، MOSFETها رفتار غیرخطی دارند و فرکانس و دامنه Ringing به وضعیت کلیدزنی و سایر پارازیت‌ها نیز وابسته‌اند.

نوسانات شدید ممکن است باعث افزایش EMI، ایجاد Overshoot و Undershoot یا حتی عبور ولتاژ از محدوده مجاز قطعات شوند.

TI در صفحه ۲۷ به همین پیامدها، از جمله احتمال تجاوز از محدودیت ولتاژ MOSFET و پایه‌های درایور، اشاره می‌کند.

راهکار عملی برای کاهش Ringing

در مرحله Placement، MOSFETهای یک Half-Bridge را طوری قرار دهید که اتصال Switch Node کوتاه و کم‌اندوکتانس باشد.

برای مسیرهای قدرت، عرض مناسب مس و اتصال‌های کوتاه را در نظر بگیرید. همچنین پکیج MOSFET و اندوکتانس داخلی آن بر نتیجه تأثیر دارند.

اگر پس از اصلاح Layout همچنان Ringing مشاهده کردید، می‌توانید روش‌هایی مانند تنظیم سرعت کلیدزنی یا استفاده از Snubber را بررسی کنید.

مقادیر این قطعات باید بر اساس اندازه‌گیری و مشخصات MOSFET انتخاب شوند.

۲. بزرگ بودن حلقه جریان در طراحی PCB درایور موتور

اشتباه دوم، بررسی مسیرهای قدرت به‌صورت جداگانه و نادیده گرفتن حلقه کامل جریان است.

در مدار H-Bridge، جریان از منبع تغذیه وارد پل می‌شود، از MOSFETهای فعال و سیم‌پیچ موتور عبور می‌کند و از طریق مسیر برگشت به منبع می‌رسد.

مسیر دقیق جریان به وضعیت کلیدها، جهت جریان موتور و حالت کاری مدار بستگی دارد.

برای مثال، مسیر جریان هنگام اعمال ولتاژ به موتور با مسیر آن در دوره گردش آزاد جریان یا Freewheeling یکسان نیست.

چرا مساحت حلقه اهمیت دارد؟

هر حلقه جریان دارای اندوکتانس است.

وقتی جریان به‌سرعت تغییر می‌کند، این اندوکتانس ولتاژ گذرا ایجاد می‌کند:

$$V_L=L\frac{di}{dt}$$VL​=Ldtdi​

بنابراین، افزایش اندوکتانس حلقه می‌تواند دامنه نوسانات را بیشتر کند.

برای کنترل این مشکل، نباید فقط مسیر مثبت تغذیه را کوتاه کنیم؛ مسیر برگشت نیز باید در طراحی لحاظ شود.

TI در صفحات ۲۷ و ۲۸ توصیه می‌کند طول مسیر جریان بالا، تعداد تغییر لایه‌ها و اندوکتانس کلی حلقه را کاهش دهیم.

سه اقدام مهم در مسیرکشی قدرت

نخست، MOSFETها و خازن‌های بای‌پس را متناسب با مسیرهای کلیدزنی جانمایی کنید.

سپس عرض مسیرهای مسی را بر اساس جریان، افزایش دمای مجاز و محدودیت‌های ساخت انتخاب کنید.

در نهایت، اگر عبور از چند لایه ضروری است، تعداد، ابعاد و آرایش Viaها را متناسب با جریان و اندوکتانس موردنیاز تعیین کنید.

توجه داشته باشید که مسیر جریان موتور و حلقه محلی جریان کلیدزنی لزوماً یکسان نیستند. هنگام بهینه‌سازی، باید هر دو ساختار و وضعیت‌های مختلف کلیدزنی را بررسی کنیم.

۳. مسیرکشی نامناسب گیت MOSFET

درایور گیت وظیفه شارژ و تخلیه ظرفیت گیت MOSFET را بر عهده دارد.

ممکن است جریان متوسط این مسیر کم باشد، اما هنگام روشن و خاموش شدن MOSFET، پالس‌های جریان گذرا ایجاد می‌شوند.

اگر مسیر گیت طولانی و دارای اندوکتانس زیاد باشد، شکل موج ولتاژ گیت ممکن است دچار نوسان شود.

این مسئله می‌تواند کنترل کلیدزنی را دشوار کند و در برخی شرایط، احتمال روشن شدن ناخواسته MOSFET را افزایش دهد.

چرا مسیر برگشت گیت مهم است؟

جریان درایور از پایه خروجی آن به گیت MOSFET حرکت می‌کند و از طریق مسیر سورس به درایور بازمی‌گردد.

اگر این دو مسیر از یکدیگر فاصله زیادی داشته باشند، اندوکتانس حلقه افزایش می‌یابد.

در صفحه ۱۶ راهنمای TI، توصیه شده است مسیرهای Gate Drive کوتاه و مناسب طراحی شوند. این سند همچنین برای اتصال گیت MOSFET بالایی، نزدیک نگه داشتن مسیر گیت و مسیر مرجع Switch Node را مطرح می‌کند.

روش صحیح مسیرکشی Gate Drive

درایور گیت را در موقعیتی قرار دهید که مسیر اتصال آن به MOSFET کوتاه باشد.

مسیر رفت گیت و مسیر برگشت مربوط به آن را به‌صورت یک حلقه بررسی کنید. در ساختارهایی که MOSFET دارای پایه Kelvin Source است، روش اتصال پیشنهادی سازنده را رعایت کنید.

در صورت استفاده از مقاومت گیت خارجی، مقدار و جانمایی آن باید با مدار درایور و هدف کنترل سرعت کلیدزنی هماهنگ باشد.

صرفاً کوتاه کردن مسیر گیت کافی نیست؛ اتصالات سورس، مسیرهای قدرت و کوپلینگ ناشی از Switch Node نیز بر عملکرد کلیدزنی تأثیر دارند.

۴. جانمایی خازن‌ها در طراحی PCB درایور موتور

یکی دیگر از مشکلات طراحی PCB درایور موتور، قرار دادن خازن‌ها در موقعیت نامناسب است.

در مدارهای قدرت، معمولاً از چند نوع خازن استفاده می‌کنیم که هرکدام وظیفه متفاوتی دارند.

خازن Bulk به تأمین انرژی و کنترل تغییرات ولتاژ در بازه‌های زمانی طولانی‌تر کمک می‌کند.

خازن‌های بای‌پس محلی نیز مسیر کم‌امپدانسی برای بخشی از جریان‌های گذرای فرکانس بالا فراهم می‌کنند.

در بعضی درایورهای گیت High-Side، خازن Bootstrap یا Charge Pump نیز برای تأمین ولتاژ لازم جهت راه‌اندازی MOSFET بالایی کاربرد دارد.

Texas Instruments در صفحات ۱۹ تا ۲۱، جانمایی این خازن‌ها را به‌صورت مجزا بررسی می‌کند.

اشتباه رایج کجاست؟

فرض کنید خازن بای‌پس را در شماتیک به پایه تغذیه درایور متصل کرده‌ایم؛ اما در PCB آن را با فاصله زیاد قرار می‌دهیم.

در این شرایط، اندوکتانس مسیر اتصال می‌تواند عملکرد خازن را در فرکانس‌های بالا محدود کند.

TI توضیح می‌دهد که اندوکتانس مسیر خازن بای‌پس ممکن است به Ringing ولتاژ یا جریان تغذیه منجر شود.

راهکار مناسب چیست؟

خازن‌های بای‌پس را نزدیک پایه‌های تغذیه و زمین قطعه قرار دهید.

برای خازن Bootstrap یا Charge Pump نیز اتصال‌ها را مطابق دیتاشیت همان درایور طراحی کنید.

خازن‌های محلی بخش قدرت باید در موقعیتی قرار بگیرند که حلقه جریان سوئیچینگ تا حد امکان کم‌اندوکتانس باقی بماند.

اگر چند خازن با مقادیر متفاوت دارید، تنها بر اساس ظرفیت درباره ترتیب جانمایی تصمیم نگیرید؛ رفتار فرکانسی و توصیه سازنده را نیز بررسی کنید.

برای آشنایی بیشتر با این موضوع، مقاله قبلی پایلوتک درباره خازن دی‌کاپلینگ و تأثیر جانمایی آن بر نویز تغذیه را مطالعه کنید.

۵. مسیرکشی اشتباه سنسور جریان و فعال شدن خطای اضافه‌جریان

اندازه‌گیری جریان یکی از بخش‌های مهم در سیستم‌های کنترل موتور است.

در بسیاری از مدارها، یک مقاومت شنت (Shunt Resistor) در مسیر جریان قرار می‌دهیم و افت ولتاژ دو سر آن را اندازه می‌گیریم.

این ولتاژ از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$V_{sense}=I\times R_{shunt}$$Vsense​=I×Rshunt​

از آنجا که مقاومت شنت معمولاً مقدار کوچکی دارد، ولتاژ اندازه‌گیری نیز می‌تواند بسیار کم باشد.

به همین دلیل، افت ولتاژ ناخواسته در مسیرهای مسی و کوپلینگ نویز ممکن است خطای قابل‌توجهی ایجاد کند.

یک مثال عددی

فرض کنید مقاومت شنت برابر ۵ میلی‌اهم باشد و جریان موتور به ۱۰ آمپر برسد.

ولتاژ ایده‌آل دو سر مقاومت برابر است با:

$$V_{sense}=10\times0.005=0.05V$$Vsense​=10×0.005=0.05V

بنابراین، تقویت‌کننده اندازه‌گیری جریان فقط ۵۰ میلی‌ولت سیگنال دریافت می‌کند.

اگر مسیر اندازه‌گیری در اثر اتصال نامناسب و عبور جریان قدرت دچار افت ولتاژ اضافی شود، این خطا ممکن است نسبت به سیگنال اصلی قابل‌توجه باشد.

این محاسبه یک مثال آموزشی است و نتیجه اندازه‌گیری یک برد واقعی نیست.

اتصال Kelvin چه کمکی به طراحی PCB درایور موتور می‌کند؟

در اتصال Kelvin، مسیرهای اندازه‌گیری را جدا از مسیر اصلی عبور جریان در نظر می‌گیریم.

دو اتصال حسگر باید از نقاط مناسب دو سر مقاومت شنت به ورودی تقویت‌کننده برسند تا افت ولتاژ مسیرهای قدرت وارد اندازه‌گیری نشود.

TI در صفحات ۳۲ و ۳۳، جانمایی مقاومت شنت، مسیرکشی سیگنال‌های اندازه‌گیری به‌صورت جفت و استفاده از Net Tie را بررسی می‌کند.

آیا مسیر اندازه‌گیری باید تفاضلی باشد؟

در معماری دارای تقویت‌کننده تفاضلی، بهتر است دو مسیر Sense+ و Sense− را مطابق دستورالعمل سازنده، نزدیک به یکدیگر و با ساختار مناسب طراحی کنیم.

این کار می‌تواند کوپلینگ نویز مد مشترک را کنترل کند.

همچنین مسیرهای حساس را برای مسافت طولانی در کنار Switch Node و سایر اتصالات نویزی قرار ندهید.

در صورت نیاز به فیلتر ورودی، قطعات آن را طبق توصیه TI نزدیک تقویت‌کننده اندازه‌گیری جریان قرار دهید.

نکته مهم: اگر درایور موتور به خطای Overcurrent می‌رسد، ابتدا باید منشأ آن را بررسی کنید. خطا ممکن است ناشی از جریان واقعی، نویز اندازه‌گیری یا اختلال در مسیرهای تشخیص حفاظتی باشد. نباید بدون تشخیص علت، آستانه حفاظت را افزایش دهید یا آن را غیرفعال کنید.

۶. مثال عملی: مقایسه دو طراحی H-Bridge

برای جمع‌بندی، دو نسخه فرضی از یک برد درایور موتور DC را بررسی می‌کنیم.

در هر دو نسخه، شماتیک، MOSFETها، درایور گیت و مقاومت شنت یکسان هستند. تفاوت فقط در Layout است.

مقایسه ساختار دو برد

این دو تصویر صرفاً دیاگرام مفهومی جانمایی هستند؛ نه شماتیک کامل H-Bridge یا فایل آماده تولید.

در طراحی A، چند عامل نامطلوب هم‌زمان وجود دارد: فاصله زیاد قطعات قدرت، حلقه جریان بزرگ‌تر و مسیر اندازه‌گیری نزدیک به ناحیه سوئیچینگ.

در طراحی B، جانمایی را به‌گونه‌ای تغییر داده‌ایم که اتصالات قدرت کوتاه‌تر شوند و مسیر Sense از جریان اصلی جدا بماند.

بااین‌حال، برای اثبات بهبود عملکرد باید هر دو نسخه را در شرایط یکسان آزمایش کنیم.

چگونه دو PCB را آزمایش کنیم؟

برای مقایسه، می‌توان شکل موج Switch Node، ولتاژ Gate-to-Source، نویز تغذیه و خروجی مدار اندازه‌گیری جریان را ثبت کرد.

همچنین باید دمای MOSFETها و وضعیت فعال شدن حفاظت‌ها را بررسی کنیم.

هنگام اندازه‌گیری گره‌های High-Side، از پروب تفاضلی مناسب یا روش اندازه‌گیری ایمن و موردتأیید تجهیزات استفاده کنید. اتصال گیره زمین اسیلوسکوپ معمولی به یک گره شناور می‌تواند اتصال کوتاه خطرناک ایجاد کند.

۷. سؤالات متداول طراحی PCB درایور موتور

چرا هنگام روشن شدن موتور، روی Switch Node نوسان ایجاد می‌شود؟

اندوکتانس و ظرفیت پارازیتی MOSFETها و مسیرهای PCB می‌توانند نوسان LC ایجاد کنند. برای تشخیص دقیق باید شکل موج و ساختار Layout بررسی شوند.

آیا افزایش مقاومت گیت همیشه Ringing را کاهش می‌دهد؟

خیر. تغییر مقاومت گیت می‌تواند سرعت کلیدزنی را تغییر دهد، اما ممکن است تلفات سوئیچینگ و دمای MOSFET را نیز افزایش دهد. مقدار آن را باید با اندازه‌گیری و مطابق مشخصات درایور و MOSFET انتخاب کرد.

خازن بای‌پس درایور موتور را کجا قرار دهیم؟

نزدیک پایه‌های تغذیه و زمین قطعه، با مسیر اتصال کوتاه و کم‌اندوکتانس. برای بخش قدرت نیز محل خازن باید با حلقه‌های جریان سوئیچینگ هماهنگ باشد.

چرا مدار بدون بار درست کار می‌کند اما با اتصال موتور خطای اضافه‌جریان می‌دهد؟

احتمال‌هایی مانند جریان واقعی راه‌اندازی، افت ولتاژ تغذیه، نویز مسیر اندازه‌گیری و اختلال در تشخیص حفاظت وجود دارند. باید با اندازه‌گیری، علت را مشخص کرد.

آیا استفاده از PCB چهارلایه برای درایور موتور ضروری است؟

برای تمام درایورها الزامی نیست. انتخاب تعداد لایه به جریان، محدودیت فضا، کنترل EMI، مدیریت حرارت و الزامات قطعات بستگی دارد.

جمع‌بندی؛ طراحی صحیح PCB درایور موتور از جانمایی آغاز می‌شود

طراحی PCB درایور موتور بخشی از طراحی الکتریکی مدار است، نه صرفاً مرحله اتصال قطعات.

اندوکتانس مسیرهای قدرت، ساختار حلقه جریان، موقعیت خازن‌ها و نحوه اتصال سنسور جریان می‌توانند بر Ringing، نویز و عملکرد حفاظت اثر بگذارند.

به همین دلیل، طراح باید پیش از مسیرکشی، قطعات قدرت و اتصالات بحرانی را جانمایی کند و دستورالعمل سازنده درایور را مبنای تصمیم‌های خود قرار دهد.

برای مطالعه مرتبط، می‌توانید مقاله قبلی پایلوتک درباره Hot Loop و نقش آن در کاهش نویز EMI را نیز بخوانید.

پس از تکمیل بررسی‌های طراحی و آماده‌سازی فایل‌های Gerber، امکان ثبت سفارش از طریق صفحه سفارش PCB از چین در پایلوتک  فراهم است.