Βασισμένο στο PCB διάταξη τροφοδοσίας, αυτό το έγγραφο εισάγει την καλύτερη μέθοδο διάταξης PCB, παραδείγματα και τεχνικές για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης μιας απλής μονάδας ισχύος εναλλαγής.

Κατά τον σχεδιασμό της διάταξης τροφοδοσίας, η πρώτη σκέψη είναι η φυσική περιοχή βρόχου των δύο βρόχων ρεύματος μεταγωγής. Αν και αυτές οι περιοχές βρόχου είναι σε μεγάλο βαθμό αόρατες στη μονάδα ισχύος, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις αντίστοιχες διαδρομές ρεύματος των δύο βρόχων επειδή εκτείνονται πέρα ​​από τη μονάδα. Στον βρόχο 1 που φαίνεται στο Σχήμα 1, ο τρέχων αυτοαγωγιζόμενος πυκνωτής παράκαμψης εισόδου (Cin1) περνάει από το MOSFET στον εσωτερικό πυκνωτή επαγωγής και παράκαμψης εξόδου (CO1) κατά τη διάρκεια του συνεχούς αγωγού του υψηλής τεχνολογίας MOSFET και τελικά επιστρέφει στο τον πυκνωτή παράκαμψης εισόδου.

Σχηματικό διάγραμμα βρόχου στη μονάδα ισχύος www.elecfans.com

Εικόνα 1 Σχηματικό διάγραμμα βρόχου στην μονάδα ισχύος

Ο βρόχος 2 σχηματίζεται κατά τη διάρκεια του χρόνου απενεργοποίησης των εσωτερικών MOSFEts υψηλών προδιαγραφών και του χρόνου ενεργοποίησης των MOSFEts χαμηλού επιπέδου. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στον εσωτερικό επαγωγέα ρέει μέσω του πυκνωτή παράκαμψης εξόδου και του χαμηλού άκρου MOSFEts πριν επιστρέψει στο GND (βλέπε σχήμα 1). Η περιοχή όπου δύο βρόχοι δεν επικαλύπτονται μεταξύ τους (συμπεριλαμβανομένου του ορίου μεταξύ των βρόχων) είναι η περιοχή με υψηλό ρεύμα DI/DT. Ο πυκνωτής παράκαμψης εισόδου (Cin1) παίζει βασικό ρόλο στην παροχή ρεύματος υψηλής συχνότητας στον μετατροπέα και στην επιστροφή του ρεύματος υψηλής συχνότητας στη διαδρομή προέλευσης.

Ο πυκνωτής παράκαμψης εξόδου (Co1) δεν μεταφέρει πολύ ρεύμα AC, αλλά λειτουργεί ως φίλτρο υψηλής συχνότητας για την αλλαγή θορύβου. Για τους παραπάνω λόγους, οι πυκνωτές εισόδου και εξόδου πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στους αντίστοιχους πείρους VIN και VOUT της μονάδας. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2, η επαγωγή που δημιουργείται από αυτές τις συνδέσεις μπορεί να ελαχιστοποιηθεί κάνοντας την καλωδίωση μεταξύ των πυκνωτών παράκαμψης και των αντίστοιχων πείρων VIN και VOUT τους όσο το δυνατόν πιο σύντομη και ευρεία.

Εικόνα 2 Βρόχος ΑΠΛΟΣ ΑΛΛΑΓΗΣ

Η ελαχιστοποίηση της επαγωγής σε διάταξη PCB έχει δύο σημαντικά οφέλη. Πρώτον, βελτιώστε την απόδοση των εξαρτημάτων προωθώντας τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ Cin1 και CO1. Αυτό διασφαλίζει ότι η μονάδα έχει καλή παράκαμψη hf, ελαχιστοποιώντας τις αιχμές επαγωγικής τάσης λόγω υψηλού ρεύματος DI/DT. Επίσης ελαχιστοποιεί τον θόρυβο της συσκευής και την τάση τάσης για να εξασφαλίσει την κανονική λειτουργία. Δεύτερον, ελαχιστοποιήστε το EMI.

Οι πυκνωτές που συνδέονται με λιγότερη παρασιτική επαγωγή εμφανίζουν χαρακτηριστικά χαμηλής σύνθετης αντίστασης σε υψηλές συχνότητες, μειώνοντας έτσι τη διεξαγόμενη ακτινοβολία. Συνιστώνται κεραμικοί πυκνωτές (X7R ή X5R) ή άλλοι πυκνωτές χαμηλού τύπου ESR. Πρόσθετοι πυκνωτές εισόδου μπορούν να ενεργοποιηθούν μόνο εάν τοποθετηθούν επιπλέον πυκνωτές κοντά στα άκρα GND και VIN. Η μονάδα ισχύος του SIMPLE SWITCHER έχει σχεδιαστεί μοναδικά για να έχει χαμηλή ακτινοβολία και διεξάγει EMI. Ωστόσο, ακολουθήστε τις οδηγίες διάταξης PCB που περιγράφονται σε αυτό το άρθρο για να επιτύχετε υψηλότερες επιδόσεις.

Ο σχεδιασμός της τρέχουσας διαδρομής κυκλώματος συχνά παραμελείται, αλλά παίζει βασικό ρόλο στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού τροφοδοσίας. Επιπλέον, τα καλώδια γείωσης προς Cin1 και CO1 πρέπει να συντομεύονται και να διευρύνονται όσο το δυνατόν περισσότερο και τα γυμνά μαξιλάρια να συνδέονται άμεσα, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τις συνδέσεις γείωσης του πυκνωτή εισόδου (Cin1) με μεγάλα ρεύματα εναλλασσόμενου ρεύματος.

Οι γειωμένες ακίδες (συμπεριλαμβανομένων των γυμνών μαξιλαριών), οι πυκνωτές εισόδου και εξόδου, οι πυκνωτές μαλακής εκκίνησης και οι αντιστάσεις ανάδρασης στη μονάδα πρέπει να είναι όλες συνδεδεμένες στο στρώμα βρόχου στο PCB. Αυτό το στρώμα βρόχου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαδρομή επιστροφής με εξαιρετικά χαμηλό ρεύμα επαγωγής και ως συσκευή διάχυσης θερμότητας που συζητείται παρακάτω.

ΣΥΚΟ. 3 Σχηματικό διάγραμμα μονάδας και PCB ως θερμική σύνθετη αντίσταση

Η αντίσταση ανάδρασης πρέπει επίσης να τοποθετείται όσο το δυνατόν πιο κοντά στην ακίδα FB (ανάδραση) της μονάδας. Για να ελαχιστοποιήσετε την πιθανή τιμή εξαγωγής θορύβου σε αυτόν τον κόμβο υψηλής αντίστασης, είναι ζωτικής σημασίας να διατηρήσετε τη γραμμή μεταξύ του πείρου FB και της μεσαίας βρύσης της αντίστασης ανάδρασης όσο το δυνατόν πιο σύντομη. Τα διαθέσιμα εξαρτήματα αντιστάθμισης ή οι πυκνωτές τροφοδοσίας πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στην άνω αντίσταση ανάδρασης. Για παράδειγμα, δείτε το διάγραμμα διάταξης PCB στον σχετικό πίνακα δεδομένων μονάδας.

Για ένα παράδειγμα διάταξης LMZ14203, ανατρέξτε στο έγγραφο οδηγού εφαρμογής AN-2024 που παρέχεται στη διεύθυνση www.naTIonal.com.

Προτάσεις σχεδιασμού διάχυσης θερμότητας

Η συμπαγής διάταξη των μονάδων, ενώ παρέχει ηλεκτρικά οφέλη, έχει αρνητικό αντίκτυπο στο σχεδιασμό διάχυσης θερμότητας, όπου ισοδύναμη ισχύς διαχέεται από μικρότερους χώρους. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, ένα μεγάλο γυμνό μαξιλάρι έχει σχεδιαστεί στο πίσω μέρος του πακέτου μονάδας τροφοδοσίας του ΑΠΛΟΥ ΔΙΑΚΟΠΤΗ και είναι ηλεκτρικά γειωμένο. Το μαξιλάρι βοηθά στην παροχή εξαιρετικά χαμηλής θερμικής σύνθετης αντίστασης από το εσωτερικό MOSFEts, το οποίο συνήθως παράγει το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας, στο PCB.

Η θερμική σύνθετη αντίσταση (θJC) από τη διασταύρωση ημιαγωγών στο εξωτερικό πακέτο αυτών των συσκευών είναι 1.9 ℃/W. Ενώ η επίτευξη μιας κορυφαίας τιμής θJC στη βιομηχανία είναι ιδανική, μια χαμηλή τιμή θJC δεν έχει νόημα όταν η θερμική σύνθετη αντίσταση (θCA) της εξωτερικής συσκευασίας στον αέρα είναι πολύ μεγάλη! Εάν δεν παρέχεται διαδρομή διάχυσης θερμότητας χαμηλής σύνθετης αντίστασης στον περιβάλλοντα αέρα, η θερμότητα θα συσσωρευτεί στο γυμνό μαξιλάρι και δεν μπορεί να διαλυθεί. Τι καθορίζει λοιπόν το θCA; Η θερμική αντίσταση από το γυμνό μαξιλάρι στον αέρα ελέγχεται πλήρως από το σχεδιασμό του PCB και τη σχετική ψύκτρα.

Τώρα για μια γρήγορη ματιά στον τρόπο σχεδιασμού ενός απλού PCB χωρίς πτερύγια, το σχήμα 3 απεικονίζει τη μονάδα και το PCB ως θερμική σύνθετη αντίσταση. Επειδή η θερμική σύνθετη αντίσταση μεταξύ της διασταύρωσης και της κορυφής της εξωτερικής συσκευασίας είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με τη θερμική σύνθετη αντίσταση από τη διασταύρωση στο γυμνό μαξιλάρι, μπορούμε να αγνοήσουμε τη διαδρομή διάχυσης θJA της θερμότητας κατά την πρώτη εκτίμηση της θερμικής αντίστασης από τη διασταύρωση τον περιβάλλοντα αέρα (θJT).

Το πρώτο βήμα στο σχεδιασμό της διάχυσης της θερμότητας είναι να προσδιοριστεί η ποσότητα ισχύος που θα διαχέεται. Η ισχύς που καταναλώνεται από τη μονάδα (PD) μπορεί εύκολα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το γράφημα απόδοσης (η) που δημοσιεύεται στον πίνακα δεδομένων.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιούμε τους περιορισμούς θερμοκρασίας της μέγιστης θερμοκρασίας στο σχεδιασμό, TAmbient και την ονομαστική θερμοκρασία σύνδεσης, TJuncTIon (125 ° C), για να προσδιορίσουμε τη θερμική αντίσταση που απαιτείται για τις συσκευασμένες μονάδες στο PCB.

Τέλος, χρησιμοποιήσαμε μια απλοποιημένη προσέγγιση της μέγιστης μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια του PCB (με άθικτα χάλκινα πτερύγια 1 ουγγιάς και πολυάριθμες οπές ψύκτρας στον επάνω και στον κάτω όροφο) για να προσδιορίσουμε την επιφάνεια της πλάκας που απαιτείται για τη διάχυση θερμότητας.

Η απαιτούμενη προσέγγιση επιφάνειας PCB δεν λαμβάνει υπόψη τον ρόλο που παίζουν οι οπές διάχυσης θερμότητας που μεταφέρουν θερμότητα από το ανώτερο μεταλλικό στρώμα (η συσκευασία συνδέεται με το PCB) στο κάτω μεταλλικό στρώμα. Το κάτω στρώμα χρησιμεύει ως ένα δεύτερο επιφανειακό στρώμα μέσω του οποίου η συναγωγή μπορεί να μεταφέρει θερμότητα από την πλάκα. Πρέπει να χρησιμοποιηθούν τουλάχιστον 8 έως 10 οπές ψύξης για να είναι έγκυρη η προσέγγιση της επιφάνειας. Η θερμική αντίσταση της ψύκτρας προσεγγίζεται με την ακόλουθη εξίσωση.

Αυτή η προσέγγιση ισχύει για μια τυπική οπή διαμέτρου 12 mils με πλευρικό τοίχωμα χαλκού 0.5 oz. Όσες περισσότερες οπές ψύκτρας πρέπει να σχεδιάζονται σε ολόκληρη την περιοχή κάτω από το γυμνό μαξιλάρι και αυτές οι οπές ψύκτρας πρέπει να σχηματίζουν μια συστοιχία με απόσταση 1 έως 1.5 mm.

συμπέρασμα

Η μονάδα ισχύος SIMPLE SWITCHER παρέχει μια εναλλακτική λύση σε πολύπλοκα σχέδια τροφοδοσίας και τυπικές διατάξεις PCB που σχετίζονται με μετατροπείς DC/DC. Ενώ οι προκλήσεις διάταξης έχουν εξαλειφθεί, ορισμένες εργασίες μηχανικής πρέπει ακόμη να γίνουν για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των μονάδων με καλό σχεδιασμό παράκαμψης και διάχυσης θερμότητας.