Perustuu PCB Tässä asiakirjassa esitellään paras piirilevyasettelumenetelmä, esimerkkejä ja tekniikoita yksinkertaisen kytkinvirtamoduulin suorituskyvyn optimoimiseksi.

Virtalähteen asettelua suunniteltaessa ensimmäinen huomio on kahden kytkentävirtasilmukan fyysinen silmukka -alue. 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 loop 1 shown in Figure 1, the current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the MOSFET to the internal inductor and output bypass capacitor (CO1) during the continuous conduction time of the high-end MOSFET, and finally returns to the input bypass capacitor.

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. Sisäiseen induktoriin varastoitu energia kulkee ohituskondensaattorin ja matalan pään MOSFEts -liittimien läpi ennen palaamista GND: hen (katso kuva 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. Tulon ohituskondensaattorilla (Cin1) on keskeinen rooli korkeataajuisen virran syöttämisessä muuttajaan ja korkeataajuisen virran palauttamisessa lähdepolulle.

Lähdön ohituskondensaattori (Co1) ei kuljeta paljon vaihtovirtaa, mutta toimii korkeataajuisena suodattimena kohinan vaihtamiseksi. Edellä mainituista syistä tulo- ja lähtökondensaattorit on sijoitettava mahdollisimman lähelle moduulin VIN- ja VOUT -nastoja. Kuten kuvassa 2 esitetään, näiden liitosten tuottama induktanssi voidaan minimoida tekemällä ohituskondensaattoreiden ja niiden vastaavien VIN- ja VOUT -nastojen välinen johdotus mahdollisimman lyhyeksi ja leveäksi.

Kuva 2 SIMPLE SWITCHER -silmukka

Induktanssin minimoimisella piirilevyasettelussa on kaksi suurta hyötyä. Paranna ensin komponenttien suorituskykyä edistämällä energiansiirtoa Cin1: n ja CO1: n välillä. Tämä varmistaa, että moduulissa on hyvä hf -ohitus, minimoiden suuren DI/DT -virran aiheuttamat induktiiviset jännitepiikit. Se myös minimoi laitteen melun ja jännitysjännityksen normaalin toiminnan varmistamiseksi. Toiseksi minimoi EMI.

Kondensaattoreilla, jotka on kytketty vähemmän loisinduktanssiin, on alhaiset impedanssiominaisuudet korkeille taajuuksille, mikä vähentää johtunutta säteilyä. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Muita tulokondensaattoreita voidaan käyttää vain, jos lisäkondensaattoreita on sijoitettu GND- ja VIN -päiden lähelle. 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.

Circuit current path planning is often neglected, but it plays a key role in optimizing power supply design. 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.

Maadoitetut nastat (mukaan lukien paljaat tyynyt), tulo- ja lähtökondensaattorit, pehmeäkäynnistyskondensaattorit ja moduulin takaisinkytkentävastukset on kytkettävä piirilevyn silmukkakerrokseen. Tätä silmukkakerrosta voidaan käyttää paluureitinä erittäin pienellä induktanssivirralla ja lämmönpoistolaitteena, jota käsitellään alla.

KUVA. 3 Kaavio moduulista ja piirilevystä lämpöimpedanssina

Takaisinkytkentävastus on myös sijoitettava mahdollisimman lähelle moduulin FB (takaisinkytkentä) -tappia. 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.

Heat Dissipation Design Suggestions

Moduulien kompakti ulkoasu tarjoaa sähköisiä etuja, mutta sillä on negatiivinen vaikutus lämmöntuottoon, jossa vastaava teho kuluu pienemmistä tiloista. 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. Tyyny auttaa tarjoamaan äärimmäisen pienen lämpöimpedanssin sisäisistä MOSFEteista, jotka tyypillisesti tuottavat suurimman osan lämmöstä, piirilevyyn.

Lämpöimpedanssi (θJC) puolijohdeliitoksesta näiden laitteiden ulkopakkaukseen on 1.9 ℃/W. Vaikka alan johtavan θJC-arvon saavuttaminen on ihanteellista, matalalla θJC-arvolla ei ole mitään järkeä, kun ulkopakkauksen ilmaimpedanssi (θCA) on liian suuri! 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. So what determines θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Nyt voit katsoa nopeasti, kuinka suunnitella yksinkertainen piirilevy ilman eviä, kuva 3 esittää moduulia ja piirilevyä lämpöimpedanssina. Koska liitoskohdan ja ulkopakkauksen yläosan välinen lämpöimpedanssi on suhteellisen korkea verrattuna liitoskohdan ja paljaan tyynyn väliseen lämpöimpedanssiin, voimme jättää huomiotta θJA -lämmöntuottoradan ensimmäisen lämpövastuksen arvioinnin aikana liittymästä – ympäröivään ilmaan (θJT).

Ensimmäinen vaihe lämmönpoistosuunnittelussa on haihtuvan tehon määrittäminen. Moduulin (PD) kuluttama teho voidaan helposti laskea käyttämällä tietotaulukossa julkaistua tehokkuuskaaviota (η).

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.

Lopuksi käytimme yksinkertaistettua likimääräistä likimääräistä maksimi konvektiivista lämmönsiirtoa piirilevypinnalla (vahingoittumattomilla 1 unssin kupariripillä ja lukuisilla jäähdytyselementin rei’illä sekä ylä- että alakerrassa) lämmön haihtumiseen tarvittavan levyalueen määrittämiseksi.

Vaadittu PCB -alueen lähentäminen ei ota huomioon lämmöntuottoreikien roolia, jotka siirtävät lämpöä ylemmältä metallikerrokselta (pakkaus on liitetty PCB: lle) alempaan metallikerrokseen. Pohjakerros toimii toisena pintakerroksena, jonka läpi konvektio voi siirtää lämpöä levyltä. Vähintään 8-10 jäähdytysreikää tulee käyttää, jotta levyn pinta -alan lähentäminen olisi pätevä. Jäähdytyselementin lämmönkestävyys arvioidaan seuraavalla yhtälöllä.

Tämä arviointi koskee tyypillistä läpimitaltaan 12 mm: n läpimenevää reikää, jonka sivuseinä on 0.5 oz. Mahdollisimman monta jäähdytyselementin reikää tulisi suunnitella koko alueelle paljaan tyynyn alle, ja näiden jäähdytyselementin reikien tulisi muodostaa matriisi, jonka etäisyys on 1–1.5 mm.

johtopäätös

SIMPLE SWITCHER -virtamoduuli tarjoaa vaihtoehdon monimutkaisille virtalähdemalleille ja tyypillisille DC/DC -muuntimiin liittyville piirilevyasennuksille. Vaikka asetteluhaasteet on poistettu, joitakin suunnittelutöitä on vielä tehtävä moduulin suorituskyvyn optimoimiseksi hyvällä ohitus- ja lämmönpoistosuunnittelulla.