The Effect of PCB Design Optimization in DC-DC Converters to Signal Integrity


Pekbey B., Çoşkun O., Yenikaya S.

4th International Symposium of Scientific Research and Innovative Studies (ISSRIS’24), Balıkesir, Turkey, 13 - 16 March 2024, pp.583-585

  • Publication Type: Conference Paper / Summary Text
  • City: Balıkesir
  • Country: Turkey
  • Page Numbers: pp.583-585
  • Bursa Uludag University Affiliated: Yes

Abstract

DC-DC converters provide efficient conversion of electrical energy from one level to another. The basic operating principle of these converters is based on currents induced during switching operations through inductors in the circuit. This phenomenon also leads to the formation of magnetic fields in the circuit. Electrical energy is transmitted through current and voltage signals. The fundamental relationship between these two signals is determined by the impedance, which represents the sum of the resistance and reactance of a circuit against the electric current. Any change in impedance causes fluctuations in voltage and current signals. This mismatch can adversely affect the performance of circuits. Therefore, it is critically important to maintain impedance stably at all points in the circuit. In converter circuits, as the operating frequencies increase, the rate of change of current and voltage also increases. This situation can lead to unwanted voltage/current induce due to inductive and capacitive coupling mechanisms in critical lines. Additionally, in high-frequency operation, the rise and fall times of the signal shorten, leading to the formation of higher-frequency components in the signal spectrum. This can cause impedance mismatches and reflections due to the frequencydependent nature of impedance.

DC-DC dönüştürücüler, elektrik enerjisinin bir seviyeden diğerine verimli bir şekilde dönüştürülmesini sağlar. Bu dönüştürücülerin temel çalışma prensibi, devredeki indüktörler aracılığıyla anahtarlama işlemleri sırasında indüklenen akımlar üzerine kuruludur. Bu olay aynı zamanda devrede manyetik alanların oluşumuna da yol açar. Elektrik enerjisi, akım ve gerilim sinyalleri aracılığıyla iletilmektedir. Bu iki sinyal arasındaki temel ilişki, bir devrenin elektrik akımına karşı gösterdiği direnç ve reaktansın toplamını ifade eden empedans tarafından belirlenir. Empedansın herhangi bir değişikliği, gerilim ve akım sinyallerinde de dalgalanmalara neden olur. Bu uyumsuzluk devrelerin performansını olumsuz yönde etkileyebilir. Bu nedenle, devrenin tüm noktalarında empedansın stabil bir şekilde korunması kritik öneme sahiptir. Dönüştürücü devrelerinde, çalışma frekanslarının yükselmesiyle birlikte akım ve gerilimlerin değişim hızı da artmıştır. Bu durum, kritik hatlarda endüktif ve kapasitif kuplaj mekanizmaları sonucunda istenmeyen gerilim/akım indüklenmelerine neden olabilmektedir. Ayrıca, yüksek frekanslı çalışmada, sinyalin yükselme ve düşme süreleri kısalmakta ve bu da sinyal spektrumunda daha yüksek frekanslı bileşenlerin oluşmasına neden olmaktadır. Bu durum, empedansın frekansa bağımlı olmasından dolayı empedans uyumsuzluklarına ve yansımalara sebebiyet verebilmektedir. Tüm bu olumsuzluklar, bir sinyalin kaynaktan hedefe bozulmadan, değişmeden ve istenmeyen gecikmeler veya yansımalar olmadan ulaşmasını sağlamayı ifade eden sinyal bütünlüğü (SI) ile ilgili sorunlar oluşmasına neden olur.