واستنادا إلى PCB تخطيط مصدر الطاقة ، تقدم هذه الورقة أفضل طريقة لتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور وأمثلة وتقنيات لتحسين أداء وحدة تبديل الطاقة البسيطة.

عند التخطيط لتخطيط مصدر الطاقة ، يكون الاعتبار الأول هو منطقة الحلقة المادية لحلقات التبديل الحالية. Although these loop regions are largely invisible in the power module, it is important to understand the respective current paths of the two loops because they extend beyond the module. في الحلقة 1 الموضحة في الشكل 1 ، يمر مكثف تجاوز المدخلات الحالي ذاتي التوصيل (Cin1) عبر MOSFET إلى المحث الداخلي ومكثف تجاوز الخرج (CO1) أثناء وقت التوصيل المستمر لـ MOSFET الراقية ، ويعود أخيرًا إلى مكثف تجاوز الإدخال.

Schematic diagram of loop in the power module www.elecfans.com

Figure 1 Schematic diagram of loop in power module

Loop 2 is formed during the turn-off time of the internal high-end MOSFEts and the turn-on time of the low-end MOSFEts. تتدفق الطاقة المخزنة في المحرِّض الداخلي عبر مكثف تجاوز الخرج و MOSFEts منخفضة النهاية قبل العودة إلى GND (انظر الشكل 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. يلعب مكثف تجاوز الإدخال (Cin1) دورًا رئيسيًا في توفير تيار التردد العالي للمحول وإعادة تيار التردد العالي إلى مسار مصدره.

لا يحمل مكثف تجاوز الخرج (Co1) الكثير من تيار التيار المتردد ، ولكنه يعمل كمرشح عالي التردد لتبديل الضوضاء. للأسباب المذكورة أعلاه ، يجب وضع مكثفات الإدخال والإخراج في أقرب مكان ممكن من دبابيس VIN و VOUT الخاصة بهم في الوحدة النمطية. كما هو مبين في الشكل 2 ، يمكن تقليل الحث الذي تولده هذه الوصلات عن طريق جعل الأسلاك بين المكثفات الالتفافية ودبابيس VIN و VOUT الخاصة بها قصيرة وواسعة قدر الإمكان.

الشكل 2 الشكل XNUMX حلقة المحول البسيط

إن تقليل الحث في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور له فائدتان رئيسيتان. أولاً ، قم بتحسين أداء المكونات من خلال تعزيز نقل الطاقة بين Cin1 و CO1. هذا يضمن أن الوحدة لديها تجاوز hf جيد ، مما يقلل من قمم الجهد الاستقرائي بسبب ارتفاع تيار DI / DT. كما أنه يقلل من ضوضاء الجهاز وإجهاد الجهد لضمان التشغيل العادي. ثانيًا ، قلل من EMI.

تُظهر المكثفات المتصلة بمحاثة أقل طفيلية خصائص مقاومة منخفضة للترددات العالية ، وبالتالي تقلل الإشعاع الموصّل. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. لا يمكن تشغيل مكثفات الإدخال الإضافية إلا إذا تم وضع مكثفات إضافية بالقرب من طرفي GND و VIN. The Power module of the SIMPLE SWITCHER is uniquely designed to have low radiation and conducted EMI. However, follow the PCB layout guidelines described in this article to achieve higher performance.

غالبًا ما يتم إهمال تخطيط المسار الحالي للدائرة ، ولكنه يلعب دورًا رئيسيًا في تحسين تصميم مزود الطاقة. In addition, ground wires to Cin1 and CO1 should be shortened and widened as much as possible, and bare pads should be directly connected, which is especially important for input capacitor (Cin1) ground connections with large AC currents.

يجب توصيل جميع المسامير المؤرضة (بما في ذلك الوسادات العارية) ومكثفات الإدخال والإخراج ومكثفات بدء التشغيل الناعم ومقاومات التغذية المرتدة في الوحدة بطبقة الحلقة الموجودة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يمكن استخدام طبقة الحلقة هذه كمسار عودة مع تيار تحريض منخفض للغاية وكجهاز تبديد حرارة تمت مناقشته أدناه.

تين. 3 رسم تخطيطي للوحدة النمطية وثنائي الفينيل متعدد الكلور كمقاومة حرارية

يجب أيضًا وضع المقاوم الارتجاعي في أقرب مكان ممكن من دبوس FB (التغذية المرتدة) للوحدة. To minimize the potential noise extraction value at this high impedance node, it is critical to keep the line between the FB pin and the feedback resistor’s middle tap as short as possible. Available compensation components or feedforward capacitors should be placed as close to the upper feedback resistor as possible. For an example, see the PCB layout diagram in the relevant module data table.

For AN example layout of LMZ14203, see the application guide document AN-2024 provided at www.naTIonal.com.

اقتراحات لتصميم تبديد الحرارة

التخطيط المدمج للوحدات ، مع توفير فوائد كهربائية ، له تأثير سلبي على تصميم تبديد الحرارة ، حيث يتم تبديد الطاقة المكافئة من المساحات الأصغر. To address this problem, a single large bare pad is designed on the back of the Power module package of the SIMPLE SWITCHER and is electrically grounded. تساعد الوسادة على توفير مقاومة حرارية منخفضة للغاية من MOSFEts الداخلية ، والتي تولد عادةً معظم الحرارة ، إلى PCB.

المقاومة الحرارية (θJC) من تقاطع أشباه الموصلات إلى الحزمة الخارجية لهذه الأجهزة هي 1.9 ℃ / W. في حين أن تحقيق قيمة θJC الرائدة في الصناعة أمر مثالي ، فإن قيمة θJC المنخفضة لا معنى لها عندما تكون المعاوقة الحرارية (θCA) للحزمة الخارجية للهواء كبيرة جدًا! If no low-impedance heat dissipation path is provided to the surrounding air, the heat will accumulate on the bare pad and cannot be dissipated. So what determines θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

الآن لإلقاء نظرة سريعة على كيفية تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور بسيط بدون زعانف ، يوضح الشكل 3 الوحدة وثنائي الفينيل متعدد الكلور كمقاومة حرارية. نظرًا لأن المعاوقة الحرارية بين التقاطع وأعلى الحزمة الخارجية عالية نسبيًا مقارنة بالمقاومة الحرارية من الوصلة إلى الوسادة العارية ، يمكننا تجاهل مسار تبديد الحرارة θJA أثناء التقدير الأول للمقاومة الحرارية من التقاطع إلى الهواء المحيط (θJT).

تتمثل الخطوة الأولى في تصميم تبديد الحرارة في تحديد مقدار الطاقة التي سيتم تبديدها. يمكن حساب الطاقة التي تستهلكها الوحدة (PD) بسهولة باستخدام الرسم البياني للكفاءة (η) المنشور في جدول البيانات.

We then use the temperature constraints of the maximum temperature in the design, TAmbient, and the rated junction temperature, TJuncTIon(125 ° C), to determine the thermal resistance required for the packaged modules on the PCB.

أخيرًا ، استخدمنا تقريبًا مبسطًا للحد الأقصى من نقل الحرارة بالحمل الحراري على سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور (مع زعانف نحاسية 1 أونصة غير تالفة والعديد من ثقوب المشتت الحراري في كل من الطابقين العلوي والسفلي) لتحديد مساحة اللوحة المطلوبة لتبديد الحرارة.

لا يأخذ تقريب منطقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور المطلوب في الاعتبار الدور الذي تلعبه فتحات تبديد الحرارة التي تنقل الحرارة من الطبقة المعدنية العلوية (الحزمة متصلة بـ PCB) إلى الطبقة المعدنية السفلية. تعمل الطبقة السفلية كطبقة سطحية ثانية يمكن للحمل الحراري من خلالها نقل الحرارة من اللوحة. يجب استخدام ما لا يقل عن 8 إلى 10 فتحات تبريد حتى يكون تقريب مساحة اللوحة ساريًا. يتم تقريب المقاومة الحرارية للمشتت الحراري بالمعادلة التالية.

ينطبق هذا التقريب على ثقب نموذجي بقطر 12 مل مع جدار نحاسي 0.5 أوقية. يجب تصميم أكبر عدد ممكن من فتحات المشتت الحراري في المنطقة بأكملها أسفل الوسادة العارية ، ويجب أن تشكل فتحات المشتت الحراري هذه مجموعة ذات تباعد من 1 إلى 1.5 مم.

اختتام

توفر وحدة الطاقة SIMPLE SWITCHER بديلاً لتصميمات إمداد الطاقة المعقدة وتخطيطات PCB النموذجية المرتبطة بمحولات DC / DC. بينما تم التخلص من تحديات التخطيط ، لا يزال يتعين القيام ببعض الأعمال الهندسية لتحسين أداء الوحدة مع تجاوز جيد وتصميم تبديد الحرارة.