Базиран на PCB оформление на захранването, този документ представя най -добрия метод за оформление на печатни платки, примери и техники за оптимизиране на работата на простия превключвател на захранващ модул.

Когато планирате оформлението на захранването, първото съображение е физическата зона на контура на двата контура на превключване на тока. 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. В контур 1, показан на фигура 1, текущият самопроводим входен байпасен кондензатор (Cin1) преминава през MOSFET към вътрешния индуктор и изходния байпасен кондензатор (CO1) през времето на непрекъсната проводимост на висококачествения MOSFET и накрая се връща към входен байпасен кондензатор.

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

Фигура 1 Схематична диаграма на контура в захранващия модул

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. Енергията, съхранявана във вътрешния индуктор, преминава през изходния байпасен кондензатор и нискочестотните MOSFE, преди да се върне към GND (виж Фигура 1). Областта, в която две бримки не се припокриват (включително границата между контурите), е областта с висок DI/DT ток. Входният байпасен кондензатор (Cin1) играе ключова роля при подаването на високочестотния ток към преобразувателя и връщането на високочестотния ток към неговия източник.

Изходният байпасен кондензатор (Co1) не носи много променлив ток, но действа като високочестотен филтър за превключване на шума. Поради горните причини, входните и изходните кондензатори трябва да бъдат разположени възможно най -близо до съответните им VIN и VOUT щифтове на модула. Както е показано на Фигура 2, индуктивността, генерирана от тези връзки, може да бъде сведена до минимум, като окабеляването между байпасните кондензатори и съответните им VIN и VOUT щифтове е възможно най -кратко и широко.

Фигура 2 Цикъл SIMPLE SWITCHER

Минимизирането на индуктивността в оформлението на печатни платки има две основни предимства. Първо, подобрете производителността на компонентите, като насърчите трансфера на енергия между Cin1 и CO1. Това гарантира, че модулът има добър hf байпас, свеждайки до минимум пиковете на индуктивно напрежение поради високия DI/DT ток. Той също така намалява шума и напрежението на устройството, за да осигури нормална работа. Второ, минимизирайте EMI.

Кондензаторите, свързани с по -малка паразитна индуктивност, показват ниски импедансни характеристики към високи честоти, като по този начин намаляват проводимото излъчване. Препоръчват се керамични кондензатори (X7R или X5R) или други кондензатори с ниско ниво на ESR. Допълнителни входни кондензатори могат да влязат в действие само ако допълнителни кондензатори са поставени близо до краищата на GND и 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.

Планирането на текущата верига на веригата често се пренебрегва, но играе ключова роля в оптимизирането на дизайна на захранването. 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.

Заземени щифтове (включително голи подложки), входящи и изходни кондензатори, кондензатори с плавен старт и резистори за обратна връзка в модула трябва да бъдат свързани към контурния слой на печатната платка. Този контурен слой може да се използва като обратен път с изключително нисък ток на индуктивност и като устройство за разсейване на топлина, обсъдено по -долу.

Фиг. 3 Схематична диаграма на модула и печатната платка като термичен импеданс

Резисторът за обратна връзка също трябва да бъде поставен възможно най -близо до щифта FB (обратна връзка) на модула. 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.

Предложения за дизайн на разсейване на топлина

Компактното разположение на модулите, въпреки че осигурява електрически предимства, има отрицателно въздействие върху дизайна на разсейване на топлината, където еквивалентна мощност се разсейва от по -малки пространства. 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. Подложката помага да се осигури изключително нисък термичен импеданс от вътрешните MOSFEts, които обикновено генерират по -голямата част от топлината, към печатната платка.

Топлинният импеданс (θJC) от полупроводниковото съединение към външната опаковка на тези устройства е 1.9 ℃/W. Докато постигането на водеща в индустрията стойност θJC е идеална, ниската стойност на θJC няма смисъл, когато термичният импеданс (θCA) на външната опаковка към въздуха е твърде голям! Ако към околния въздух не е осигурен път с ниско съпротивление на разсейване на топлина, топлината ще се натрупва върху голата подложка и не може да се разсейва. И така, какво определя θCA? Топлинното съпротивление от гола подложка към въздух се контролира изцяло от дизайна на печатната платка и свързания с нея радиатор.

Сега за бърз поглед как да проектирате проста печатна платка без перки, фигура 3 илюстрира модула и печатната платка като термичен импеданс. Тъй като термичният импеданс между кръстовището и горната част на външната опаковка е сравнително висок в сравнение с термичния импеданс от кръстовището до голата подложка, можем да пренебрегнем пътя на разсейване на топлината θJA по време на първата оценка на термичното съпротивление от кръстовището до околния въздух (θJT).

Първата стъпка в проектирането на разсейване на топлина е да се определи количеството енергия, която ще се разсейва. Консумираната мощност от модула (PD) може лесно да се изчисли, като се използва графиката за ефективност (η), публикувана в таблицата с данни.

След това използваме температурните ограничения на максималната температура в проекта, TAmbient и номиналната температура на кръстовището, TJuncTIon (125 ° C), за да определим топлинното съпротивление, необходимо за пакетираните модули на печатната платка.

И накрая, използвахме опростено приближение на максималния конвективен топлопренос на повърхността на печатната платка (с неповредени медни перки от 1 унция и множество отвори за радиатор на горния и долния етаж), за да определим площта на плочата, необходима за разсейване на топлината.

Необходимото сближаване на площта на печатни платки не отчита ролята, която играят отворите за разсейване на топлината, които пренасят топлината от горния метален слой (опаковката е свързана с печатната платка) към долния метален слой. Долният слой служи като втори повърхностен слой, през който конвекцията може да предава топлина от плочата. За да бъде валидно сближаването на площта на дъската, трябва да се използват най -малко 8 до 10 охлаждащи отвора. Топлинното съпротивление на радиатора се апроксимира със следното уравнение.

Това приближение се прилага за типичен проходен отвор с диаметър 12 мили с медна странична стена от 0.5 унции. В цялата зона под голата подложка трябва да бъдат проектирани възможно най -много отвори за радиатор, като тези отвори за радиатор трябва да образуват масив с разстояние 1 до 1.5 мм.

заключение

Захранващият модул SIMPLE SWITCHER осигурява алтернатива на сложните схеми на захранване и типичните оформления на печатни платки, свързани с DC/DC преобразуватели. Въпреки че предизвикателствата при оформлението са премахнати, все още трябва да се извърши известна инженерна работа за оптимизиране на работата на модула с добър дизайн на байпас и разсейване на топлината.