Layout del nodo de conmutación: pequeño, pero no a cualquier precio

El nodo de conmutación es el cobre que hay entre el interruptor de lado alto, el dispositivo de lado bajo y la bobina. En un convertidor de 12 V oscila entre unos 12 V y unos 0 V, y lo hace en unos pocos nanosegundos, medio millón de veces por segundo.

Es el sitio eléctricamente más violento de la tarjeta, y tiene que serlo, porque así es como funciona el convertidor. La pregunta de diseño no es cómo calmarlo. Es cómo mantener contenido lo que hace.

Respuesta rápida. Compacto, porque su área fija con qué fuerza se acopla capacitivamente a todo lo que tiene cerca. Pero no a cualquier precio: el nodo también conduce toda la corriente de la bobina y a menudo evacúa calor del dispositivo de conmutación, así que encogerlo sin límite cambia un problema de acoplamiento por uno térmico. Compacto, lo bastante ancho para la corriente, lo bastante grande para el calor y lejos de todo lo sensible.

Por qué acopla

Un conductor con una tensión que cambia deprisa se acopla a sus vecinos por la capacidad que hay entre ellos. La corriente inyectada es:

i = C · dv/dt

Aquí los dos términos son grandes. La capacidad entre el cobre del nodo de conmutación y una pista o un plano contiguo es pequeña, del orden del picofaradio o menos, pero el dv/dt es enorme. Doce voltios en cinco nanosegundos son 2,4 × 10⁹ V/s.

Por tan sólo 1 pF eso da:

i = 1 × 10⁻¹² × 2,4 × 10⁹ = 2,4 mA

Dos miliamperios y medio inyectados en un nodo vecino, en forma de pulso, en cada ciclo de conmutación. En un nodo de baja impedancia eso no es nada. En el nodo de feedback de alta impedancia de la lección 8, es una perturbación seria.

La capacidad de acoplamiento crece con el área que se solapa y baja con la separación. Así que los dos mandos que tienes son cuánto cobre ocupa el nodo y qué tiene cerca, incluidas las capas contiguas.

Por qué más pequeño es mejor, hasta cierto punto

Reducir el área del nodo de conmutación reduce:

• El acoplamiento capacitivo a pistas y planos vecinos, como arriba.
• El área del lazo que recorre la corriente conmutada, lo que reduce la

emisión radiada por el mismo motivo que en la lección 6.

• La energía almacenada en la capacidad del propio nodo, que se disipa en

cada ciclo, así que un nodo pequeño es algo más eficiente a frecuencia alta.

Ésta es la base del consejo habitual, y es correcta.

Por qué «lo más pequeño posible» está mal

Tres cosas tiran en sentido contrario, y en tarjetas reales importan.

La corriente. El nodo lleva toda la corriente de la bobina, 2 A en el ejemplo del curso y mucho más en diseños mayores. El cobre tiene que ser lo bastante ancho para llevarla sin calentarse en exceso y sin añadir resistencia en un camino que ya está disipando.

El calor. En muchos reguladores integrados, el cobre del nodo de conmutación es un camino térmico deliberado. El layout recomendado en la hoja de características suele enseñar un área concreta conectada a ese pin porque el dispositivo evacúa calor por ahí. Encogerla para minimizar el acoplamiento puede subir la temperatura del dado, cambiando un margen de EMI que quizá tengas por un margen térmico que necesitas.

La fabricación. Un nodo apretado al mínimo geométrico puede dar problemas de montaje y no deja sitio para las vías que necesita el camino térmico.

Así que la instrucción no es «minimizar». Es: que no sea más grande de lo que necesita para corriente y calor, y después controla qué hay cerca. Donde la hoja especifique un área de cobre por motivos térmicos, esa especificación gana, y el acoplamiento se gestiona alejando lo sensible en vez de encogiendo el nodo por debajo de lo que pide el dispositivo.

De qué hay que alejarlo

Más o menos por orden de lo mal que reaccionan:

• La pista y el divisor de feedback. Lección 8.
• Cualquier nodo analógico de alta impedancia: referencias, salidas de

sensores, divisores de valor alto.

• Líneas de reset y de habilitación, que pueden dar un glitch.
• Circuitos de cristal y osciladores.
• Buses de comunicación, sobre todo los lentos con establecimiento largo, que

se perturban más fácilmente que los diferenciales rápidos.

Y en tres dimensiones, no en dos. Una pista sensible en la capa justo debajo del nodo de conmutación está pegada a él, por mucha separación que tenga en su propia capa. La disposición habitual pone un plano de masa continuo inmediatamente debajo del nodo, lo que a la vez da a la corriente conmutada un retorno apretado y apantalla lo que haya debajo. Ese retorno es el mismo del que habla el curso de masas, e interrumpirlo bajo el nodo de conmutación es una forma directa de empeorar el problema.

El campanilleo del nodo

Mira un nodo de conmutación en el osciloscopio y normalmente verás sobreoscilación y campanilleo en cada flanco. Viene de la inductancia de lazo de la lección 6 resonando con la capacidad de salida del dispositivo.

Dos cosas que conviene saber:

• Su amplitud es una medida directa de lo bueno que es tu layout del lazo

caliente. Un lazo apretado campanillea menos. Es el indicador de calidad de layout más barato que tienes.

• La frecuencia del campanilleo suele estar muy por encima de la de

conmutación, en decenas o centenas de megahercios, que es justo el rango que aparece en los ensayos de emisión radiada.

Si un diseño falla EMC en esa zona, la forma de onda del nodo de conmutación es el primer sitio donde mirar, y el arreglo suele estar en el lazo caliente y no en un filtro añadido después. Un snubber sobre el dispositivo de lado bajo puede amortiguarlo, a cambio de disipar la energía que quita, y es una herramienta legítima una vez que el layout está todo lo bien que va a estar.

Una revisión corta del nodo

• ¿Es el nodo todo lo compacto que permiten la corriente y lo térmico?
• ¿Especifica la hoja un área de cobre para él? ¿Se ha respetado?
• ¿Hay cobre de referencia continuo justo debajo?
• ¿Hay algo sensible ruteado encima, debajo o al lado?
• ¿Está la pista de feedback cerca?
• En el osciloscopio, ¿cuánto sobreoscila y campanillea?

Lo que viene después

La lección 10 cierra el curso con el comportamiento que ata todo lo demás: el lazo de control, y qué hace que un regulador sea estable, marginal u oscilante.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, layout del nodo de conmutación y papel térmico de su cobre.
• Texas Instruments: hoja de características LMS3655 — hoja de características, área del nodo de conmutación junto a los requisitos térmicos.
• Texas Instruments: Power Supply Design Seminar, pérdidas de conmutación (SLUP340) — ponencia, capacidad del nodo y energía de conmutación.
• Analog Devices: Buck Power Stage Design Equations — nota de aplicación, corrientes de la etapa de potencia por el nodo de conmutación.