Na základě PCB rozvržení napájecího zdroje, tento článek představuje nejlepší metodu rozložení DPS, příklady a techniky pro optimalizaci výkonu jednoduchého napájecího modulu přepínače.

When planning the power supply layout, the first consideration is the physical loop area of the two switching current loops. 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. In loop 1 shown in Figure 1, the current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the MOSFET to the internal inductor and output bypass capacitor (CO1) during the continuous conduction time of the high-end MOSFET, and finally returns to the input bypass capacitor.

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. Energie uložená ve vnitřním induktoru protéká výstupním obtokovým kondenzátorem a nízkými koncovými MOSFEty, než se vrátí na GND (viz obrázek 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. The input bypass capacitor (Cin1) plays a key role in supplying the high frequency current to the converter and returning the high frequency current to its source path.

Výstupní obtokový kondenzátor (Co1) nenese velký střídavý proud, ale funguje jako vysokofrekvenční filtr pro přepínání šumu. Z výše uvedených důvodů by měly být vstupní a výstupní kondenzátory umístěny co nejblíže k jejich příslušným pinům VIN a VOUT na modulu. As shown in Figure 2, the inductance generated by these connections can be minimized by making the wiring between the bypass capacitors and their respective VIN and VOUT pins as short and wide as possible.

Obrázek 2 Smyčka JEDNODUCHÝ PŘEPÍNAČ

Minimizing inductance in a PCB layout has two major benefits. Za prvé, zlepšete výkon komponent podporou přenosu energie mezi Cin1 a CO1. Tím je zajištěno, že modul má dobrý hf bypass, čímž se minimalizují indukční napěťové špičky v důsledku vysokého proudu DI/DT. Minimalizuje také hluk a napětí zařízení, aby byl zajištěn normální provoz. Za druhé, minimalizujte EMI.

Kondenzátory připojené s menší parazitní indukčností vykazují charakteristiky s nízkou impedancí pro vysoké frekvence, čímž snižují vyzařované vedení. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Additional input capacitors can only come into play if additional capacitors are placed near the GND and VIN ends. 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.

Circuit current path planning is often neglected, but it plays a key role in optimizing power supply design. 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.

Uzemněné kolíky (včetně holých podložek), vstupní a výstupní kondenzátory, kondenzátory s měkkým startem a zpětnovazební odpory v modulu by měly být připojeny k vrstvě smyčky na desce plošných spojů. Tuto vrstvu smyčky lze použít jako zpáteční cestu s extrémně nízkým indukčním proudem a jako zařízení pro odvod tepla diskutované níže.

OBR. 3 Schematický diagram modulu a desky plošných spojů jako tepelné impedance

The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB(feedback) pin of the module. 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.

Heat Dissipation Design Suggestions

Kompaktní uspořádání modulů, které poskytuje elektrické výhody, má negativní dopad na konstrukci rozptylu tepla, kde je ekvivalentní výkon odváděn z menších prostorů. 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. The pad helps to provide extremely low thermal impedance from the internal MOSFEts, which typically generate most of the heat, to the PCB.

Tepelná impedance (θJC) od polovodičového spojení k vnějšímu pouzdru těchto zařízení je 1.9 ℃/W. While achieving an industry-leading θJC value is ideal, a low θJC value makes no sense when the thermal impedance (θCA) of the outer package to the air is too great! 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.

Now for a quick look at how to design a simple PCB without fins, figure 3 illustrates the module and PCB as thermal impedance. Because the thermal impedance between the junction and the top of the outer package is relatively high compared to the thermal impedance from the junction to the bare pad, we can ignore the θJA heat dissipation path during the first estimate of the thermal resistance from the junction to the surrounding air (θJT).

Prvním krokem v návrhu rozptylu tepla je určit množství energie, které má být rozptýleno. The power consumed by the module (PD) can be easily calculated using the efficiency graph (η) published in the data table.

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.

Finally, we used a simplified approximation of the maximum convective heat transfer on the PCB surface (with undamaged 1-ounce copper fins and numerous heat sink holes on both the top and bottom floors) to determine the plate area required for heat dissipation.

The required PCB area approximation does not take into account the role played by heat dissipation holes that transfer heat from the top metal layer (the package is connected to the PCB) to the bottom metal layer. The bottom layer serves as a second surface layer through which convection can transfer heat from the plate. Aby byla platná aproximace plochy desky, je třeba použít alespoň 8 až 10 chladicích otvorů. Tepelný odpor chladiče je aproximován následující rovnicí.

Tato aproximace platí pro typický průchozí otvor o průměru 12 mils s měděnou boční stěnou 0.5 oz. V celé oblasti pod holým polštářkem by mělo být navrženo co nejvíce otvorů pro chladič a tyto otvory pro chladič by měly tvořit pole s roztečí 1 až 1.5 mm.

závěr

Napájecí modul SIMPLE SWITCHER poskytuje alternativu ke komplexním návrhům napájecích zdrojů a typickým uspořádáním desek plošných spojů spojených s měniči DC/DC. I když byly problémy s rozvržením odstraněny, je třeba ještě provést některé inženýrské práce, aby se optimalizoval výkon modulu s dobrým návrhem bypassu a odvodu tepla.