Basierend auf PCB Layout der Stromversorgung, dieses Dokument stellt die beste PCB-Layout-Methode, Beispiele und Techniken vor, um die Leistung von einfachen Switcher-Leistungsmodulen zu optimieren.

Bei der Planung des Netzteil-Layouts ist zunächst die physikalische Schleifenfläche der beiden schaltenden Stromschleifen zu berücksichtigen. 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 der in Abbildung 1 gezeigten Schleife 1 fließt der Strom selbstleitende Eingangs-Bypass-Kondensator (Cin1) durch den MOSFET zum internen Induktor und Ausgangs-Bypass-Kondensator (CO1) während der kontinuierlichen Leitungszeit des High-End-MOSFET und kehrt schließlich zu . zurück der Eingangs-Bypass-Kondensator.

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

Abbildung 1 Schematische Darstellung der Schleife im Leistungsmodul

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. Die in der internen Induktivität gespeicherte Energie fließt durch den Ausgangs-Bypass-Kondensator und die Low-End-MOSFEts, bevor sie zu GND zurückkehrt (siehe Abbildung 1). Der Bereich, in dem sich zwei Schleifen nicht überlappen (einschließlich der Grenze zwischen Schleifen) ist der Bereich mit hohem DI/DT-Strom. Der Eingangs-Bypass-Kondensator (Cin1) spielt eine Schlüsselrolle bei der Versorgung des Wandlers mit dem Hochfrequenzstrom und der Rückführung des Hochfrequenzstroms in seinen Quellpfad.

Der Ausgangs-Bypass-Kondensator (Co1) führt nicht viel Wechselstrom, wirkt aber als Hochfrequenzfilter für Schaltrauschen. Aus den oben genannten Gründen sollten Eingangs- und Ausgangskondensatoren so nah wie möglich an ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins am Modul platziert werden. Wie in Abbildung 2 gezeigt, kann die durch diese Verbindungen erzeugte Induktivität minimiert werden, indem die Verdrahtung zwischen den Bypass-Kondensatoren und ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins so kurz und breit wie möglich gemacht wird.

Abbildung 2 SIMPLE SWITCHER-Schleife

Die Minimierung der Induktivität in einem PCB-Layout hat zwei große Vorteile. Verbessern Sie zunächst die Komponentenleistung, indem Sie den Energietransfer zwischen Cin1 und CO1 fördern. Dies gewährleistet einen guten HF-Bypass des Moduls und minimiert induktive Spannungsspitzen durch hohe DI/DT-Ströme. Es minimiert auch das Geräterauschen und die Spannungsbelastung, um einen normalen Betrieb zu gewährleisten. Zweitens: Minimieren Sie EMI.

Kondensatoren, die mit weniger parasitärer Induktivität verbunden sind, weisen niedrige Impedanzeigenschaften für hohe Frequenzen auf, wodurch die leitungsgebundene Strahlung reduziert wird. Keramikkondensatoren (X7R oder X5R) oder andere Kondensatoren mit niedrigem ESR werden empfohlen. Zusätzliche Eingangskondensatoren können nur ins Spiel kommen, wenn zusätzliche Kondensatoren in der Nähe der GND- und VIN-Enden platziert werden. 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.

Die Strompfadplanung von Schaltungen wird oft vernachlässigt, spielt jedoch eine Schlüsselrolle bei der Optimierung des Netzteildesigns. 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.

Geerdete Pins (einschließlich blanker Pads), Eingangs- und Ausgangskondensatoren, Softstart-Kondensatoren und Rückkopplungswiderstände im Modul sollten alle mit der Schleifenschicht auf der Leiterplatte verbunden werden. Diese Schleifenschicht kann als Rückweg mit extrem niedrigem Induktivitätsstrom und als unten diskutierte Wärmeableitungsvorrichtung verwendet werden.

FEIGE. 3 Schematische Darstellung von Modul und Leiterplatte als thermischer Widerstand

Der Feedback-Widerstand sollte auch so nah wie möglich am FB(feedback)-Pin des Moduls platziert werden. 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.

Designvorschläge zur Wärmeableitung

Das kompakte Layout der Module hat zwar elektrische Vorteile, wirkt sich jedoch negativ auf das Wärmeableitungsdesign aus, bei dem die äquivalente Leistung aus kleineren Räumen abgeleitet wird. 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. Das Pad trägt dazu bei, eine extrem niedrige thermische Impedanz von den internen MOSFEts, die normalerweise die meiste Wärme erzeugen, zur Leiterplatte bereitzustellen.

Die thermische Impedanz (θJC) vom Halbleiterübergang zum äußeren Gehäuse dieser Bauelemente beträgt 1.9 /W. Während das Erreichen eines branchenführenden θJC-Wertes ideal ist, macht ein niedriger θJC-Wert keinen Sinn, wenn die thermische Impedanz (θCA) der Außenverpackung gegenüber der Luft zu groß ist! Wenn kein niederohmiger Wärmeableitungspfad an die Umgebungsluft bereitgestellt wird, sammelt sich die Wärme auf dem blanken Pad und kann nicht abgeführt werden. Was also bestimmt θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Um einen kurzen Blick darauf zu werfen, wie eine einfache Leiterplatte ohne Finnen entworfen wird, zeigt Abbildung 3 das Modul und die Leiterplatte als thermische Impedanz. Da die thermische Impedanz zwischen der Sperrschicht und der Oberseite des äußeren Gehäuses im Vergleich zur thermischen Impedanz von der Sperrschicht zum blanken Pad relativ hoch ist, können wir den θJA-Wärmeableitungspfad während der ersten Schätzung des thermischen Widerstands von der Sperrschicht zu . ignorieren die Umgebungsluft (θJT).

Der erste Schritt beim Design der Wärmeableitung besteht darin, die Menge der abzuführenden Leistung zu bestimmen. Die Leistungsaufnahme des Moduls (PD) lässt sich anhand des in der Datentabelle veröffentlichten Wirkungsgraddiagramms (η) leicht berechnen.

Anschließend verwenden wir die Temperaturbeschränkungen der maximalen Temperatur im Design, TAmbient, und die Nennübergangstemperatur, TJuncTIon(125 °C), um den erforderlichen Wärmewiderstand für die verpackten Module auf der Leiterplatte zu bestimmen.

Schließlich haben wir eine vereinfachte Annäherung an die maximale konvektive Wärmeübertragung auf der PCB-Oberfläche (mit unbeschädigten 1-Unzen-Kupferrippen und zahlreichen Kühlkörperlöchern auf der oberen und unteren Etage) verwendet, um die für die Wärmeableitung erforderliche Plattenfläche zu bestimmen.

Die Näherung der erforderlichen PCB-Fläche berücksichtigt nicht die Rolle, die Wärmeableitungslöcher spielen, die Wärme von der oberen Metallschicht (das Gehäuse ist mit der PCB verbunden) auf die untere Metallschicht übertragen. Die untere Schicht dient als zweite Oberflächenschicht, durch die Konvektion Wärme von der Platte übertragen kann. Es sollten mindestens 8 bis 10 Kühllöcher verwendet werden, damit die Näherung der Platinenfläche gültig ist. Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers wird durch die folgende Gleichung angenähert.

Diese Näherung gilt für ein typisches Durchgangsloch von 12 mil Durchmesser mit 0.5 oz Kupferseitenwand. Im gesamten Bereich unterhalb des blanken Pads sollten möglichst viele Kühlkörperlöcher vorgesehen werden und diese Kühlkörperlöcher sollten ein Array mit einem Abstand von 1 bis 1.5 mm bilden.

Abschluss

Das SIMPLE SWITCHER-Leistungsmodul bietet eine Alternative zu komplexen Netzteildesigns und typischen PCB-Layouts, die mit DC/DC-Wandlern verbunden sind. Obwohl die Layout-Herausforderungen beseitigt wurden, müssen noch einige technische Arbeiten durchgeführt werden, um die Modulleistung mit einem guten Bypass- und Wärmeableitungsdesign zu optimieren.