Влияние паразитных параметров корпуса на ЭМС

В ряде приложений, например в силовой электронике, высокоскоростных интерфейсах и некоторых других, решение проблем целостности сигнала и электромагнитной совместимости является нетривиальной задачей. Звон на фронтах сигнала способен исказить сообщение или вызвать ложное срабатывание. В большинстве случаев звон предлагается устранить путем использования соответствующей топологии платы и выбора требуемых компонентов.

Указанные меры, безусловно, необходимы, без них не обойтись. Однако в приложениях, где скорость передачи данных достигает многих сотен Мбит/с, а длительность фронтов в AC/DC- и DC/DC-преобразователях с силовым каскадом на карбидокремниевых (SiC) и нитридо-галлиевых (GaN) ключах исчисляется наносекундами, нельзя не учитывать паразитные параметры (емкость и индуктивность) корпусов микросхем. На рис. 1 показана схема выходного силового каскада с паразитными индуктивностями L1, L2 и L3.

Рис. 1. Схема выходного силового каскада с паразитными индуктивностями

При открытии нижнего ключа (рис. 1) на индуктивности L1 индуцируется ЭДС. Соответственно, между землей кристалла и землей системы возникает разность потенциалов. Если изменение достаточно велико, может появиться ложный управляющий сигнал. Учитывая, что в силовом контуре печатной платы из-за паразитных индуктивностей и емкостей возникает колебательный контур, ложные управляющие сигналы управления появляются несколько раз, и схема начинает «дребезжать».

В традиционных кремниевых MOSFET описанное выше явление не происходит из-за относительно большой длительности фронтов. Однако в современных драйверах GaNFET длительность фронтов не превышает 1 нс; соответственно, возрастает и ЭДС, наведенная в паразитной индуктивности корпуса, и сами GaNFET успевают «подхватить» короткие искажения управляющих импульсов.

Помимо паразитных индуктивностей в ряде случаев приходится считаться с паразитными емкостями и с взаимными индуктивностями между проводниками и выводами корпусов микросхем. На рис. 2 показан случай, когда паразитные емкости С1 и С2 между проводниками внутри корпуса могут вызвать искажение сигнала. Передаваемый по центральному каналу сигнал через паразитные емкости С1 и С2 может повлиять на находящиеся рядом проводники.

Рис. 2. Схема, демонстрирующая влияние паразитных емкостей корпуса

Паразитная индуктивность состоит из собственной индуктивности и взаимоиндуктивности. Оба вида индуктивности зависят от длины проводников, соединяющих кристалл и выводы корпуса, а также от индуктивности выводов. В зависимости от типа корпуса значения индуктивности колеблются в диапазоне от десятых долей нГн до единиц нГн. Паразитная емкость обычно составляет десятые доли пФ.

Например, в низкопрофильных корпусах QFP (LQFP и LQFP-ep) размером 7Ѕ7 мм суммарная индуктивность (индуктивность вывода + индуктивность проводника, соединяющего кристалл и вывод корпуса), находится в пределах 2,29–2,64 нГн, а взаимная индуктивность — в пределах 0,76–1,34 нГн. Емкость этого же корпуса варьируется в интервале 0,31–0,43 пФ. В корпусе большего размера (14Ѕ14 мм) индуктивность возрастет до 3,61–4,57 нГн, а взаимоиндуктивность — до 1,53–2,46 нГн. Увеличится и емкость до 0,55–0,77 пФ.

Рис. 3. Поперечное сечение корпуса TSSOP

Рассмотрим некоторые корпуса и переходные процессы, возникающие из-за наличия паразитных параметров. На рис. 3 [1] показано поперечное сечение корпуса TSSOP, который часто используется благодаря удобству монтажа на печатную плату, невысокой стоимости и хорошим тепловым характеристикам. Кристалл установлен на рамке с выводами и соединяется с ними с помощью золотых, медных или алюминиевых проводников.

Рис. 4. Осциллограмма переходного процесса в корпусе TSSOP

Из рисунка видны довольно большие размеры рамки с выводами микросхемы, что не может не сказаться на паразитных параметрах корпуса. И действительно, осциллограмма переходного процесса, показанного на рис. 4, подтверждает предположения. На осциллограмме отчетливо виден переходный процесс и значительный выброс перенапряжения при коммутации. Частота колебаний переходного процесса находится в пределах 150–200 МГц. При использовании DC/DC-преобразователя в таком корпусе придется серьезно задуматься, как обеспечить соответствие требованиям ЭМС в части ограничения радиопомех. Вполне возможно, что следует подумать и об экранировании.

Рис. 5. Поперечное сечение корпуса QFN

Корпус QFN, показанный на рис. 5, во многом схож с корпусом TSSOP (рис. 3), но имеет заметное преимущество перед ним. Поскольку выводы корпуса через проводящие прослойки подключаются непосредственно к контактной рамке микросхемы, его паразитные параметры заметно меньше. Это преимущество отражается на осциллограмме переходного процесса, показанного на рис. 6. Как видно из рисунка, переходный процесс в данном случае выражен заметно меньше, а выброс напряжения практически отсутствует. Однако следует заметить, что из-за отсутствия массивных выводов ухудшаются тепловые параметры корпуса.

Рис. 6. Осциллограмма переходного процесса в корпусе QFN

Поперечное сечение корпуса FCOL QFN, который позволяет улучшить динамические параметры системы, показано на рис. 7. В нем отсутствуют проводники, соединяющие кристалл и рамку с выводами, – вместо них используются столбиковые выводы из припоя. Осциллограмма переходного процесса на рис. 8 свидетельствует о правильности подобного решения – переходный процесс при коммутации отсутствует, следовательно, нет и перенапряжения.

Рис. 7. Поперечное сечение корпуса FCOL QFN

Рис. 8. Осциллограмма переходного процесса в корпусе FCOL QFN

Влияние рассмотренных паразитных параметров корпуса сказывается лишь при очень коротких фронтах переключения. Если длительность фронта превышает 10 нс, при выборе микросхемы можно пренебречь паразитными параметрами. Но заметим, что следует рассматривать не частоту коммутации, а именно длительность фронта импульса, от которого зависят параметры переходного процесса. Даже если схема работает на низких частотах в несколько Гц, но длительность фронта составляет, например, 1–2 нс, могут возникнуть проблемы с обеспечением ЭМС из-за неверного выбора типа корпуса.