Basat en la PCB disseny de la font d’alimentació, aquest document presenta el millor mètode de disseny de PCB, exemples i tècniques per optimitzar el rendiment del mòdul de potència del commutador simple.

Quan es planifica el disseny de la font d’alimentació, la primera consideració és l’àrea del bucle físic dels dos bucles de corrent de commutació. 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. Al bucle 1 que es mostra a la figura 1, el condensador de derivació d’entrada autoconductor actual (Cin1) passa a través del MOSFET fins al condensador de derivació i inductor intern (CO1) durant el temps de conducció contínua del MOSFET de gamma alta i, finalment, torna a el condensador de derivació d’entrada.

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. L’energia emmagatzemada a l’inductor intern flueix pel condensador de derivació de sortida i els MOSFEts de gamma baixa abans de tornar a GND (vegeu la figura 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. El condensador de derivació d’entrada (Cin1) juga un paper clau a l’hora de subministrar el corrent d’alta freqüència al convertidor i de retornar el corrent d’alta freqüència al seu camí d’origen.

El condensador de derivació de sortida (Co1) no transporta massa corrent de corrent altern, sinó que actua com un filtre d’alta freqüència per al soroll de commutació. Per les raons anteriors, els condensadors d’entrada i sortida s’han de col·locar el més a prop possible dels seus respectius pins VIN i VOUT del mòdul. Com es mostra a la figura 2, la inductància generada per aquestes connexions es pot minimitzar fent que el cablejat entre els condensadors de derivació i els respectius pins VIN i VOUT sigui el més curt i ample possible.

Figura 2 bucle SIMPLE SWITCHER

Minimitzar la inductància en un disseny de PCB té dos avantatges importants. En primer lloc, millorar el rendiment dels components promovent la transferència d’energia entre Cin1 i CO1. Això garanteix que el mòdul tingui una bona derivació hf, reduint al màxim els pics de tensió inductiva a causa de l’alt corrent DI / DT. També minimitza el soroll i la tensió del voltatge del dispositiu per garantir un funcionament normal. En segon lloc, minimitzar l’EMI.

Els condensadors connectats amb menys inductància paràsita presenten característiques d’impedància baixa a altes freqüències, reduint així la radiació conduïda. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Els condensadors d’entrada addicionals només poden entrar en joc si es col·loquen condensadors addicionals a prop dels extrems GND i 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.

La planificació del recorregut actual del circuit sovint es descuida, però juga un paper clau en l’optimització del disseny de la font d’alimentació. 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.

Els pins connectats a terra (inclosos els coixinets nus), els condensadors d’entrada i sortida, els condensadors d’arrencada suau i les resistències de retroalimentació del mòdul haurien d’estar connectats a la capa de bucle del PCB. Aquesta capa de bucle es pot utilitzar com a camí de retorn amb un corrent d’inductància extremadament baix i com a dispositiu de dissipació de calor que es descriu a continuació.

FIG. 3 Esquema esquemàtic del mòdul i de la PCB com a impedància tèrmica

La resistència de retroalimentació també s’ha de col·locar el més a prop possible del pin FB (feedback) del mòdul. 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.

Suggeriments de disseny de dissipació de calor

El disseny compacte dels mòduls, tot i proporcionar avantatges elèctrics, té un impacte negatiu en el disseny de dissipació de calor, on es dissipa una potència equivalent des d’espais més petits. 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. El coixinet ajuda a proporcionar una impedància tèrmica molt baixa des dels MOSFEts interns, que normalment generen la major part de la calor, al PCB.

La impedància tèrmica (θJC) des de la unió semiconductora fins al paquet exterior d’aquests dispositius és d’1.9 ℃ / W. Tot i que és ideal aconseguir un valor θJC líder en la indústria, un valor θJC baix no té sentit quan la impedància tèrmica (θCA) del paquet exterior a l’aire és massa gran. Si no es proporciona cap ruta de dissipació de calor de baixa impedància a l’aire circumdant, la calor s’acumularà al coixinet nu i no es podrà dissipar. Llavors, què determina l’AC? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Ara, per fer una ullada ràpida a com dissenyar un PCB senzill sense aletes, la figura 3 il·lustra el mòdul i el PCB com a impedància tèrmica. Com que la impedància tèrmica entre la unió i la part superior del paquet exterior és relativament alta en comparació amb la impedància tèrmica des de la unió fins al coixinet nu, podem ignorar el camí de dissipació de calor θJA durant la primera estimació de la resistència tèrmica des de la unió fins a l’aire circumdant (θJT).

El primer pas en el disseny de dissipació de calor és determinar la quantitat de potència que s’ha de dissipar. La potència consumida pel mòdul (PD) es pot calcular fàcilment mitjançant el gràfic d’eficiència (η) publicat a la taula de dades.

A continuació, utilitzem les restriccions de temperatura de la temperatura màxima del disseny, TAmbient, i la temperatura nominal de la unió, TJuncTIon (125 ° C), per determinar la resistència tèrmica necessària per als mòduls empaquetats del PCB.

Finalment, hem utilitzat una aproximació simplificada de la transferència de calor convectiva màxima a la superfície del PCB (amb aletes de coure d’1 unça sense danys i nombrosos forats de dissipador de calor a la planta superior i inferior) per determinar l’àrea de la placa necessària per a la dissipació de calor.

L’aproximació requerida de l’àrea de PCB no té en compte el paper que juguen els forats de dissipació de calor que transfereixen calor de la capa de metall superior (el paquet està connectat al PCB) a la capa de metall inferior. La capa inferior serveix com a segona capa superficial a través de la qual la convecció pot transferir calor de la placa. S’han d’utilitzar com a mínim de 8 a 10 forats de refrigeració perquè l’aproximació de l’àrea del tauler sigui vàlida. La resistència tèrmica del dissipador de calor s’aproxima amb la següent equació.

Aquesta aproximació s’aplica a un forat passant típic de 12 mil·límetres de diàmetre amb paret lateral de coure de 0.5 oz. S’han de dissenyar tants forats de dissipador de calor com sigui possible a tota l’àrea per sota del coixinet nu, i aquests forats de dissipador de calor haurien de formar una matriu amb un espaiat d’1 a 1.5 mm.

conclusió

El mòdul d’alimentació SIMPLE SWITCHER proporciona una alternativa als dissenys complexos d’alimentació i als dissenys típics de PCB associats als convertidors CC / CC. Tot i que s’han eliminat els reptes de disseny, encara cal fer algunes tasques d’enginyeria per optimitzar el rendiment del mòdul amb un bon disseny de bypass i dissipació de calor.