Sobre la base de la PCB diseño de la fuente de alimentación, este documento presenta el mejor método de diseño de PCB, ejemplos y técnicas para optimizar el rendimiento del módulo de alimentación del conmutador simple.

Al planificar el diseño de la fuente de alimentación, la primera consideración es el área de bucle físico de los dos bucles de corriente de conmutación. 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. En el bucle 1 que se muestra en la Figura 1, el condensador de derivación de entrada autoconductora actual (Cin1) pasa a través del MOSFET al inductor interno y al condensador de derivación de salida (CO1) durante el tiempo de conducción continua del MOSFET de gama alta, y finalmente vuelve a el condensador de derivación de 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. La energía almacenada en el inductor interno fluye a través del capacitor de derivación de salida y los MOSFEts de gama baja antes de regresar a GND (ver 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 derivación de entrada (Cin1) juega un papel clave en el suministro de corriente de alta frecuencia al convertidor y en el retorno de la corriente de alta frecuencia a su ruta de fuente.

El condensador de derivación de salida (Co1) no transporta mucha corriente CA, pero actúa como un filtro de alta frecuencia para el ruido de conmutación. Por las razones anteriores, los capacitores de entrada y salida deben colocarse lo más cerca posible de sus respectivos pines VIN y VOUT en el módulo. Como se muestra en la Figura 2, la inductancia generada por estas conexiones se puede minimizar haciendo que el cableado entre los capacitores de derivación y sus respectivos pines VIN y VOUT sean lo más cortos y anchos posible.

Figura 2 Bucle del INTERRUPTOR SIMPLE

Minimizar la inductancia en un diseño de PCB tiene dos beneficios principales. Primero, mejore el desempeño de los componentes promoviendo la transferencia de energía entre Cin1 y CO1. Esto asegura que el módulo tenga un buen bypass de alta frecuencia, minimizando los picos de voltaje inductivos debido a la alta corriente DI / DT. También minimiza el ruido del dispositivo y la tensión de voltaje para garantizar un funcionamiento normal. En segundo lugar, minimice la EMI.

Los condensadores conectados con menos inductancia parásita exhiben características de baja impedancia a altas frecuencias, reduciendo así la radiación conducida. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Los condensadores de entrada adicionales solo pueden entrar en juego si se colocan condensadores adicionales cerca de los extremos GND y 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 planificación de la ruta de la corriente del circuito a menudo se descuida, pero juega un papel clave en la optimización del diseño de la fuente de alimentación. 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.

Los pines conectados a tierra (incluidas las almohadillas desnudas), los capacitores de entrada y salida, los capacitores de arranque suave y las resistencias de retroalimentación en el módulo deben estar todos conectados a la capa de bucle en la PCB. Esta capa de bucle se puede utilizar como una ruta de retorno con una corriente de inductancia extremadamente baja y como un dispositivo de disipación de calor que se analiza a continuación.

HIGO. 3 Diagrama esquemático del módulo y PCB como impedancia térmica

La resistencia de retroalimentación también debe colocarse lo más cerca posible del pin FB (retroalimentación) del módulo. 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.

Sugerencias de diseño de disipación de calor

El diseño compacto de los módulos, si bien proporciona beneficios eléctricos, tiene un impacto negativo en el diseño de disipación de calor, donde la potencia equivalente se disipa desde espacios más pequeños. 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. La almohadilla ayuda a proporcionar una impedancia térmica extremadamente baja desde los MOSFEts internos, que generalmente generan la mayor parte del calor, a la PCB.

La impedancia térmica (θJC) desde la unión del semiconductor hasta el paquete exterior de estos dispositivos es de 1.9 ℃ / W. Si bien lograr un valor de θJC líder en la industria es ideal, un valor de θJC bajo no tiene sentido cuando la impedancia térmica (θCA) del paquete exterior al aire es demasiado grande. 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. Entonces, ¿qué determina θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Ahora, para ver rápidamente cómo diseñar una PCB simple sin aletas, la figura 3 ilustra el módulo y la PCB como impedancia térmica. Debido a que la impedancia térmica entre la unión y la parte superior del paquete exterior es relativamente alta en comparación con la impedancia térmica desde la unión a la almohadilla desnuda, podemos ignorar la trayectoria de disipación de calor θJA durante la primera estimación de la resistencia térmica desde la unión hasta el aire circundante (θJT).

El primer paso en el diseño de disipación de calor es determinar la cantidad de energía que se disipará. La potencia consumida por el módulo (PD) se puede calcular fácilmente utilizando el gráfico de eficiencia (η) publicado en la tabla de datos.

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.

Finalmente, utilizamos una aproximación simplificada de la máxima transferencia de calor por convección en la superficie de la PCB (con aletas de cobre de 1 onza sin daños y numerosos orificios de disipación de calor en los pisos superior e inferior) para determinar el área de la placa requerida para la disipación de calor.

La aproximación requerida del área de la placa de circuito impreso no tiene en cuenta el papel que desempeñan los orificios de disipación de calor que transfieren el calor desde la capa superior de metal (el paquete está conectado a la placa de circuito impreso) a la capa inferior de metal. La capa inferior sirve como una segunda capa superficial a través de la cual la convección puede transferir calor desde la placa. Se deben usar al menos de 8 a 10 orificios de enfriamiento para que la aproximación del área de la placa sea válida. La resistencia térmica del disipador de calor se aproxima mediante la siguiente ecuación.

Esta aproximación se aplica a un orificio pasante típico de 12 milésimas de pulgada de diámetro con una pared lateral de cobre de 0.5 oz. Se deben diseñar tantos orificios del disipador de calor como sea posible en toda el área debajo de la almohadilla desnuda, y estos orificios del disipador de calor deben formar una matriz con un espaciado de 1 a 1.5 mm.

conclusión

El módulo de alimentación SIMPLE SWITCHER proporciona una alternativa a los diseños complejos de fuentes de alimentación y los diseños de PCB típicos asociados con los convertidores CC / CC. Si bien se han eliminado los desafíos de diseño, aún es necesario realizar algunos trabajos de ingeniería para optimizar el rendimiento del módulo con un buen diseño de derivación y disipación de calor.