El nodo de feedback: silencioso, de alta impedancia y fácil de estropear

El divisor de feedback son dos resistencias. Es la parte más barata del convertidor y la que decide cuál es de verdad la tensión de salida, porque el regulador no conoce la tensión de salida. Conoce la tensión en su pin de feedback, y ajusta hasta que coincide con su referencia interna.

Cualquier cosa que añada un milivoltio a ese nodo es un milivoltio de error en la salida, o peor, una perturbación que el lazo intentará corregir fielmente.

Respuesta rápida. Pon el divisor cerca del pin de feedback del regulador, rutea la pista de feedback lejos del nodo de conmutación y de la bobina, sensa la salida en el punto que de verdad te importa, y lleva la masa del divisor a la referencia de masa silenciosa del dispositivo y no a la masa de potencia. El nodo es de alta impedancia, así que capta por acoplamiento capacitivo, y el agresor está a unos milímetros.

Por qué este nodo es frágil

Las resistencias del divisor se suelen elegir en decenas o centenas de kiloohmios, para no desperdiciar corriente en un circuito cuyo objetivo es el rendimiento. Una resistencia superior de 100 kΩ y una inferior de 100 kΩ dan una impedancia de fuente en el nodo de feedback de decenas de kiloohmios.

Alta impedancia significa que corrientes inyectadas pequeñas se convierten en tensiones apreciables. Un acoplamiento capacitivo de una fracción de picofaradio desde el nodo de conmutación, que está moviendo toda la tensión de entrada en nanosegundos, basta para inyectar una perturbación que importa en un nodo cuya referencia suele estar por debajo de un voltio.

Bajar los valores reduce la impedancia y la sensibilidad, a cambio de corriente en reposo. En un producto con batería ese intercambio importa; en una tarjeta alimentada de red normalmente no, y los valores bajos son la elección más cómoda. Algunos dispositivos especifican una impedancia máxima de divisor, lo que zanja el asunto.

Las cuatro decisiones

Dónde va el divisor. Junto al regulador, con la pista desde el punto medio del divisor hasta el pin lo más corta posible. La pista larga debe ser la que va de la salida a la parte alta del divisor, que es un nodo de baja impedancia, y no la que va del divisor al pin, que no lo es.

Poner el divisor junto a la carga y llevar una pista larga de alta impedancia de vuelta es la versión habitual de este error. Parece mejor sensado. Es una antena larga conectada al pin más sensible del dispositivo.

De qué se le aleja. El nodo de conmutación y el cuerpo de la bobina son los agresores. Mantén la pista de feedback fuera de cualquier capa justo encima o debajo del cobre del nodo de conmutación, y fuera de debajo de la bobina, que tiene un campo de dispersión al que no le importa el keepout que dibujaste en la capa superior.

Donde la pista de feedback tenga que pasar cerca de algo ruidoso, ayuda una pista de masa entre medias, y ayuda rutear el feedback en una capa con cobre de referencia continuo entre él y el agresor. El curso de masas explica por qué esa referencia tiene que ser continua para servir de algo.

Dónde sensa. La parte alta del divisor se conecta a la salida. Qué punto de la salida es una decisión real, porque el cobre entre el regulador y la carga tiene resistencia, y a 2 A incluso unos pocos miliohmios son milivoltios de caída.

Sensar en el regulador da una tensión bien regulada en el regulador y algo baja en la carga. Sensar en la carga corrige la caída pero alarga el camino de sensado e incluye el ruido que capte por el camino. Donde importe la precisión en la carga, una conexión Kelvin desde ese punto, ruteada como un par silencioso con su propia referencia de masa, es la respuesta estándar. Donde no importe, sensar localmente es más simple y más robusto.

Por dónde vuelve su masa. La parte baja del divisor es una referencia, y tiene que volver a la masa analógica o silenciosa del dispositivo, al pin que indique la hoja de características, no al cobre de masa de potencia que quede más a mano.

Ésta es la que produce errores misteriosos de tensión de salida. El lazo caliente de la lección 6 está metiendo amperios de corriente pulsada por la masa de potencia. Cualquier tensión que aparezca en ese cobre se suma en serie con tu referencia si el divisor comparte masa con él. La disposición de masas del propio dispositivo, tal y como la especifica su hoja, existe precisamente para mantenerlas separadas.

El condensador de adelanto

Un condensador pequeño en paralelo con la resistencia superior del divisor es habitual, y su objetivo es compensación del lazo y no filtrado: añade un cero que puede mejorar el margen de fase y la respuesta a transitorios.

Es específico del dispositivo. Algunas hojas especifican un valor o un rango y otras recomiendan explícitamente no ponerlo. Añadirlo porque otro diseño lo tenía es la forma de convertir un convertidor estable en uno que campanillea, y quitar el que la compensación daba por supuesto es la forma de volverlo inestable. La lección 10 explica qué hace ese cero.

La guía honesta es: monta lo que especifique la hoja del dispositivo para tu tensión de salida, y si quieres cambiarlo, mide el lazo.

Qué aspecto tienen lo bueno y lo malo

Mal, y frecuente:

• Divisor en la carga, pista larga de alta impedancia de vuelta al pin.
• Pista de feedback discurriendo en paralelo al nodo de conmutación durante

varios milímetros.

• Masa del divisor atada al relleno de masa de potencia más cercano, que

resulta ser el retorno del condensador de entrada.

• Un condensador de adelanto copiado del diseño de referencia de otro

dispositivo.

Bien:

• Divisor a unos pocos milímetros del pin, con pista corta hasta él.
• Ruta de feedback alejada del nodo de conmutación y de la bobina, con cobre

de referencia continuo debajo.

• Masa del divisor devuelta al punto de masa silenciosa que designa el

dispositivo.

• Punto de sensado elegido a propósito, y documentado como decisión.

Cómo localizar el problema si lo tienes

Un problema de layout de feedback suele aparecer como una tensión de salida ligeramente equivocada, o como jitter en la forma de onda de conmutación, o como una salida que se mueve cuando conmuta otra cosa de la tarjeta.

La prueba que mejor discrimina es comparar el comportamiento con poca y con mucha carga. El acoplamiento al nodo de feedback tiende a escalar con la actividad de conmutación, así que una perturbación que crece con la carga y desaparece en vacío apunta al layout y no a los valores del divisor.

Lo que viene después

La lección 9 va al agresor en persona: el nodo de conmutación, por qué acopla tan bien y por qué «hazlo lo más pequeño posible» no es exactamente la instrucción correcta.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, colocación del divisor, ruteo y referencia de masa.
• Texas Instruments: hoja de características LMS3655 — hoja de características, layout de la red de feedback y elección del punto de sensado.
• Texas Instruments: Control Loop Cookbook (SLUP113) — ponencia, papel del cero de adelanto en el modelado del lazo.