Baseret på PCB layout af strømforsyning, introducerer dette papir den bedste PCB -layoutmetode, eksempler og teknikker til at optimere ydeevnen for det simple switcher -strømmodul.

Når du planlægger strømforsyningens layout, er den første overvejelse det fysiske loopområde for de to koblingsstrømsløjfer. 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. I sløjfe 1 vist i figur 1 passerer den nuværende selvledende input-bypass-kondensator (Cin1) gennem MOSFET til den interne induktor og output-bypass-kondensator (CO1) under den kontinuerlige ledningstid for high-end MOSFET og vender endelig tilbage til input -bypass -kondensatoren.

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. Den energi, der er lagret i den interne induktor, strømmer gennem output -bypass -kondensatoren og low -end MOSFEts, før den vender tilbage til GND (se figur 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. Input -bypass -kondensatoren (Cin1) spiller en central rolle i at levere højfrekvensstrømmen til konverteren og returnere højfrekvensstrømmen til dens kildebane.

Output-bypass-kondensatoren (Co1) bærer ikke meget vekselstrøm, men fungerer som et højfrekvent filter til at skifte støj. Af ovenstående årsager bør input- og output -kondensatorer placeres så tæt som muligt på deres respektive VIN- og VOUT -ben på modulet. Som vist i figur 2 kan induktansen genereret af disse forbindelser minimeres ved at gøre ledningerne mellem bypass -kondensatorerne og deres respektive VIN- og VOUT -ben så korte og brede som muligt.

Figur 2 SIMPLE SWITCHER loop

Minimering af induktans i et PCB -layout har to store fordele. For det første skal du forbedre komponentydelsen ved at fremme energioverførsel mellem Cin1 og CO1. Dette sikrer, at modulet har en god hf -bypass, hvilket minimerer induktive spændingstoppe på grund af høj DI/DT -strøm. Det minimerer også enhedsstøj og spændingsspænding for at sikre normal drift. For det andet skal du minimere EMI.

Kondensatorer forbundet med mindre parasitisk induktans udviser egenskaber med lav impedans til høje frekvenser, hvilket reducerer ledet stråling. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Yderligere inputkondensatorer kan kun komme i spil, hvis yderligere kondensatorer er placeret nær GND- og VIN -enderne. 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.

Kredsløbets nuværende sti planlægning negligeres ofte, men det spiller en central rolle i optimering af strømforsyningsdesign. 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.

Jordede stifter (inklusive bare puder), input- og outputkondensatorer, softstart-kondensatorer og feedbackmodstande i modulet bør alle forbindes til sløjfelaget på printkortet. Dette looplag kan bruges som en returvej med ekstremt lav induktansstrøm og som en varmeafledningsindretning diskuteret nedenfor.

FIG. 3 Skematisk diagram over modul og print som termisk impedans

Feedbackmodstanden skal også placeres så tæt som muligt på modulets FB (feedback) pin. 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.

Forslag til varmeafledning

Modulernes kompakte layout, samtidig med at det giver elektriske fordele, har en negativ indvirkning på varmeafledningsdesignet, hvor ækvivalent effekt afledes fra mindre rum. 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. Puden hjælper med at give ekstremt lav termisk impedans fra de interne MOSFEts, som typisk genererer det meste af varmen, til printkortet.

Den termiske impedans (θJC) fra halvlederforbindelsen til den ydre emballage på disse enheder er 1.9 ℃/W. Selvom det er ideelt at opnå en brancheførende θJC-værdi, giver en lav θJC-værdi ingen mening, når den ydre emballages termiske impedans (θCA) er for stor! Hvis der ikke tilvejebringes en lavimpedans varmeafledningsbane til den omgivende luft, akkumuleres varmen på den bløde pude og kan ikke spredes. Så hvad bestemmer θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Nu for et hurtigt kig på, hvordan man designer et simpelt printkort uden finner, illustrerer figur 3 modulet og printkortet som termisk impedans. Fordi den termiske impedans mellem krydset og toppen af ​​den ydre emballage er relativt høj i forhold til den termiske impedans fra krydset til den bløde pude, kan vi ignorere θJA -varmeafledningsbanen under det første estimat af den termiske modstand fra krydset til den omgivende luft (θJT).

Det første trin i varmeafledningsdesign er at bestemme mængden af ​​strøm, der skal spredes. Strømforbruget fra modulet (PD) kan let beregnes ved hjælp af effektivitetsgrafen (η), der er offentliggjort i datatabellen.

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.

Endelig brugte vi en forenklet tilnærmelse af den maksimale konvektive varmeoverførsel på PCB-overfladen (med uskadte 1 ounce kobberfinner og talrige kølepladehuller på både øverste og nederste etage) til at bestemme det pladeområde, der kræves til varmeafledning.

Den påkrævede tilnærmelse af PCB -området tager ikke højde for den rolle, som varmespredningshuller spiller, der overfører varme fra det øverste metallag (pakken er forbundet til PCB) til det nederste metallag. Bundlaget fungerer som et andet overfladelag, gennem hvilket konvektion kan overføre varme fra pladen. Der skal bruges mindst 8 til 10 kølehuller, for at tilnærmelsen af ​​brættearealet er gyldig. Kølelegemets termiske modstand tilnærmes af følgende ligning.

Denne tilnærmelse gælder for et typisk gennemgående hul på 12 mils diameter med 0.5 oz kobber sidevæg. Så mange kølepladehuller som muligt bør udformes i hele området under den bløde pude, og disse kølepladehuller skal danne en matrix med et mellemrum på 1 til 1.5 mm.

konklusion

SIMPLE SWITCHER -strømmodulet giver et alternativ til komplekse strømforsyningsdesigner og typiske printkortlayouter forbundet med DC/DC -omformere. Selvom layoutudfordringer er elimineret, mangler der stadig noget ingeniørarbejde for at optimere modulets ydeevne med god bypass og varmeafledningsdesign.