بر اساس PCB طرح منبع تغذیه ، این مقاله بهترین روش چیدمان PCB ، نمونه ها و تکنیک های بهینه سازی عملکرد ماژول قدرت سوئیچر ساده را معرفی می کند.

هنگام برنامه ریزی چیدمان منبع تغذیه ، اولین ملاحظه مساحت حلقه فیزیکی دو حلقه جریان سوئیچینگ است. اگرچه این نواحی حلقه تا حد زیادی در ماژول قدرت نامرئی هستند ، درک مسیرهای جاری مربوط به دو حلقه مهم است زیرا آنها فراتر از ماژول گسترش می یابند. در حلقه 1 نشان داده شده در شکل 1 ، خازن بای پس ورودی خود رسانا (Cin1) از طریق MOSFET به سلف داخلی و خازن بای پس خروجی (CO1) در زمان هدایت پیوسته MOSFET رده بالا می رود و در نهایت به خازن بای پس ورودی

نمودار شماتیک حلقه در ماژول قدرت www.elecfans.com

شکل 1 نمودار شماتیک حلقه در ماژول قدرت

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. انرژی ذخیره شده در سلف داخلی قبل از بازگشت به GND از طریق خازن بای پس خروجی و MOSFEts پایین جریان می یابد (شکل 1 را ببینید). ناحیه ای که دو حلقه روی هم قرار نمی گیرند (شامل مرز بین حلقه ها) منطقه ای با جریان DI/DT بالا است. خازن بای پس ورودی (Cin1) نقش مهمی در تأمین جریان فرکانس بالا به مبدل و بازگشت جریان فرکانس بالا به مسیر منبع خود دارد.

خازن بای پس خروجی (Co1) جریان AC زیادی را حمل نمی کند ، اما به عنوان یک فیلتر فرکانس بالا برای تغییر نویز عمل می کند. به دلایل فوق ، خازن های ورودی و خروجی باید تا حد امکان به پین ​​های VIN و VOUT مربوطه خود روی ماژول نزدیک شوند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، می توان با ایجاد سیم کشی بین خازن های بای پس و پین های VIN و VOUT مربوطه کوتاه و وسیع تا حد امکان ، سلف ایجاد شده توسط این اتصالات را به حداقل رساند.

شکل 2 حلقه SIMPLE SWITCHER

به حداقل رساندن اندوکتانس در طرح PCB دو مزیت عمده دارد. اول ، بهبود عملکرد اجزا با ارتقاء انتقال انرژی بین Cin1 و CO1. این تضمین می کند که ماژول دارای یک بای پس hf خوب است و پیک های ولتاژ القایی را به دلیل جریان زیاد DI/DT به حداقل می رساند. همچنین نویز و تنش ولتاژ دستگاه را برای اطمینان از عملکرد عادی به حداقل می رساند. دوم ، EMI را به حداقل برسانید.

خازن های متصل به القاء انگلی کمتر ویژگی های امپدانس پایینی را در فرکانس های بالا نشان می دهند ، بنابراین تابش انجام شده را کاهش می دهد. خازن های سرامیکی (X7R یا X5R) یا دیگر خازن های نوع ESR پایین توصیه می شود. خازنهای ورودی اضافی تنها در صورتی قابل استفاده هستند که خازنهای اضافی در انتهای GND و VIN قرار گیرند. 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.

برنامه ریزی مسیر فعلی مدار اغلب نادیده گرفته می شود ، اما نقش مهمی در بهینه سازی طراحی منبع تغذیه ایفا می کند. علاوه بر این ، سیمهای اتصال زمین به Cin1 و CO1 باید تا حد امکان کوتاه و پهن شوند و لنتهای برهنه باید مستقیماً به هم متصل شوند ، که این امر به ویژه برای اتصالات زمین خازن ورودی (Cin1) با جریانهای AC زیاد مهم است.

پایه های پایه (شامل لنت های برهنه) ، خازن های ورودی و خروجی ، خازن های شروع نرم و مقاومت بازخورد در ماژول همه باید به لایه حلقه روی PCB متصل شوند. این لایه حلقه می تواند به عنوان یک مسیر بازگشت با جریان القایی بسیار کم و به عنوان یک دستگاه اتلاف گرما در زیر مورد استفاده قرار گیرد.

شکل. 3 نمودار شماتیک ماژول و PCB به عنوان امپدانس حرارتی

مقاومت بازخورد نیز باید تا حد امکان به پین ​​FB (بازخورد) ماژول نزدیک باشد. برای به حداقل رساندن مقدار استخراج نویز بالقوه در این گره امپدانس بالا ، حفظ خط بین پین FB و شیر میانی مقاومت بازخورد تا آنجا که ممکن است بسیار مهم است. اجزای جبران کننده موجود یا خازنهای پیشرو باید تا حد امکان نزدیک به مقاومت بازخورد بالایی قرار گیرند. برای مثال ، نمودار چیدمان PCB را در جدول داده های ماژول مربوطه مشاهده کنید.

برای نمونه طرح بندی LMZ14203 ، سند راهنمای برنامه AN-2024 ارائه شده در www.naTIonal.com را ببینید.

پیشنهادات طراحی انتشار گرمایی

طرح جمع و جور ماژولها ، در حالی که مزایای الکتریکی را ارائه می دهد ، تأثیر منفی بر طراحی اتلاف گرما دارد ، جایی که توان معادل از فضاهای کوچکتر اتلاف می شود. 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. این پد به ایجاد امپدانس حرارتی بسیار کم از MOSFEts داخلی ، که معمولاً بیشترین گرما را به PCB تولید می کند ، کمک می کند.

امپدانس حرارتی (θJC) از محل اتصال نیمه هادی به بسته بیرونی این دستگاه ها 1.9 ℃/W است. در حالی که دستیابی به یک مقدار θJC پیشرو در صنعت ایده آل است ، یک مقدار θJC پایین وقتی امپدانس حرارتی (θCA) بسته بیرونی به هوا بسیار زیاد معنی ندارد! اگر هیچ مسیر اتلاف حرارتی با امپدانس کم به هوای اطراف ارائه نشود ، گرما روی پد برهنه تجمع می یابد و قابل دفع نیست. بنابراین چه چیزی θCA را تعیین می کند؟ مقاومت حرارتی از پد برهنه به هوا به طور کامل توسط طراحی PCB و گرماگیر مربوطه کنترل می شود.

اکنون برای نگاهی سریع به نحوه طراحی یک PCB ساده بدون پره ، شکل 3 ماژول و PCB را به عنوان امپدانس حرارتی نشان می دهد. از آنجا که امپدانس حرارتی بین محل اتصال و قسمت بالای بسته خارجی نسبت به امپدانس حرارتی از محل اتصال به پد برهنه نسبتاً زیاد است ، می توانیم در اولین برآورد مقاومت حرارتی از محل اتصال به مسیر اتلاف گرما θJA را نادیده بگیریم. هوای اطراف (θJT).

اولین قدم در طراحی اتلاف گرما ، تعیین میزان توان اتلاف شده است. توان مصرفی ماژول (PD) را می توان به راحتی با استفاده از نمودار کارآیی (η) منتشر شده در جدول داده ها محاسبه کرد.

سپس ما از محدودیت های دمای حداکثر دما در طراحی ، TAmbient و درجه حرارت نامی اتصال ، TJuncTIon (125 درجه سانتی گراد) برای تعیین مقاومت حرارتی مورد نیاز برای ماژول های بسته بندی شده روی PCB استفاده می کنیم.

در نهایت ، ما از تقریبی ساده شده برای حداکثر انتقال حرارت جابجایی بر روی سطح PCB (با باله های مس بدون آسیب 1 اونس و سوراخ های متعدد سینک در هر دو طبقه بالا و پایین) برای تعیین سطح صفحه مورد نیاز برای اتلاف گرما استفاده کردیم.

تقریب مورد نیاز مساحت PCB نقشی را که حفره های اتلاف گرما که از لایه بالای فلزی (بسته به PCB متصل است) به لایه فلزی پایین منتقل می کند ، در نظر نمی گیرد. لایه زیرین به عنوان یک لایه سطحی دوم عمل می کند که از طریق آن همرفت می تواند گرما را از صفحه منتقل کند. برای معتبر بودن تقریب سطح تخته باید حداقل از 8 تا 10 سوراخ خنک کننده استفاده شود. مقاومت حرارتی مخزن حرارتی با رابطه زیر تقریبی می شود.

این تقریب برای یک سوراخ معمولی با قطر 12 میل با دیوار جانبی مسی 0.5 اونس کاربرد دارد. تا آنجا که ممکن است سوراخ های گرمکن باید در کل ناحیه زیر پد برهنه طراحی شود و این سوراخ ها باید دارای آرایه ای با فاصله 1 تا 1.5 میلی متر باشند.

نتیجه

ماژول تغذیه SIMPLE SWITCHER جایگزینی برای طرح های پیچیده منبع تغذیه و طرح های معمولی PCB مربوط به مبدل های DC/DC ارائه می دهد. در حالی که چالش های طرح حذف شده اند ، برخی کارهای مهندسی هنوز برای بهینه سازی عملکرد ماژول با طراحی بای پس خوب و اتلاف گرما باید انجام شود.