Basé sur PCB disposition de l’alimentation, cet article présente la meilleure méthode de disposition des circuits imprimés, des exemples et des techniques pour optimiser les performances d’un module d’alimentation de commutation simple.

Lors de la planification de la disposition de l’alimentation, la première considération est la zone de boucle physique des deux boucles de courant de commutation. 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. Dans la boucle 1 illustrée à la figure 1, le condensateur de dérivation d’entrée autoconducteur actuel (Cin1) traverse le MOSFET jusqu’à l’inducteur interne et le condensateur de dérivation de sortie (CO1) pendant le temps de conduction continu du MOSFET haut de gamme, et revient finalement à le condensateur de dérivation d’entrée.

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

Figure 1 Schéma de principe de la boucle dans le module de puissance

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. L’énergie stockée dans l’inducteur interne traverse le condensateur de dérivation de sortie et les MOSFets bas de gamme avant de retourner à GND (voir la figure 1). La région où deux boucles ne se chevauchent pas (y compris la limite entre les boucles) est la région avec un courant DI/DT élevé. Le condensateur de dérivation d’entrée (Cin1) joue un rôle clé dans la fourniture du courant haute fréquence au convertisseur et le retour du courant haute fréquence vers son chemin source.

Le condensateur de dérivation de sortie (Co1) ne transporte pas beaucoup de courant alternatif, mais agit comme un filtre haute fréquence pour le bruit de commutation. Pour les raisons ci-dessus, les condensateurs d’entrée et de sortie doivent être placés aussi près que possible de leurs broches VIN et VOUT respectives sur le module. Comme le montre la figure 2, l’inductance générée par ces connexions peut être minimisée en rendant le câblage entre les condensateurs de dérivation et leurs broches VIN et VOUT respectives aussi court et large que possible.

Figure 2 Boucle de COMMUTATEUR SIMPLE

La minimisation de l’inductance dans une configuration PCB présente deux avantages majeurs. Premièrement, améliorer les performances des composants en favorisant le transfert d’énergie entre Cin1 et CO1. Cela garantit que le module dispose d’un bon bypass HF, minimisant les pics de tension inductive dus au courant DI/DT élevé. Il minimise également le bruit de l’appareil et les contraintes de tension pour assurer un fonctionnement normal. Deuxièmement, minimisez les EMI.

Les condensateurs connectés avec moins d’inductance parasite présentent des caractéristiques de faible impédance aux hautes fréquences, réduisant ainsi le rayonnement conduit. Des condensateurs en céramique (X7R ou X5R) ou d’autres condensateurs de type faible ESR sont recommandés. Des condensateurs d’entrée supplémentaires ne peuvent entrer en jeu que si des condensateurs supplémentaires sont placés près des extrémités GND et 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 planification du chemin du courant de circuit est souvent négligée, mais elle joue un rôle clé dans l’optimisation de la conception de l’alimentation. 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.

Les broches mises à la terre (y compris les plots nus), les condensateurs d’entrée et de sortie, les condensateurs de démarrage progressif et les résistances de rétroaction dans le module doivent tous être connectés à la couche de boucle sur le PCB. Cette couche de boucle peut être utilisée comme chemin de retour avec un courant d’inductance extrêmement faible et comme dispositif de dissipation thermique discuté ci-dessous.

FIGUE. 3 Schéma de principe du module et du PCB en tant qu’impédance thermique

La résistance de rétroaction doit également être placée aussi près que possible de la broche FB (feedback) du module. 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.

Suggestions de conception de dissipation thermique

La disposition compacte des modules, tout en offrant des avantages électriques, a un impact négatif sur la conception de la dissipation thermique, où une puissance équivalente est dissipée à partir de petits espaces. 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. Le tampon aide à fournir une impédance thermique extrêmement faible des MOSFets internes, qui génèrent généralement la majeure partie de la chaleur, au PCB.

L’impédance thermique (θJC) de la jonction semi-conductrice au boîtier externe de ces dispositifs est de 1.9℃/W. Bien que l’obtention d’une valeur JC de pointe soit idéale, une faible valeur θJC n’a aucun sens lorsque l’impédance thermique (θCA) de l’emballage extérieur à l’air est trop élevée ! Si aucun chemin de dissipation thermique à faible impédance n’est fourni à l’air ambiant, la chaleur s’accumulera sur le coussin nu et ne pourra pas être dissipée. Alors, qu’est-ce qui détermine θCA ? La résistance thermique de la plaquette nue à l’air est entièrement contrôlée par la conception du circuit imprimé et le dissipateur thermique associé.

Maintenant, pour un rapide aperçu de la conception d’un circuit imprimé simple sans ailettes, la figure 3 illustre le module et le circuit imprimé en tant qu’impédance thermique. Étant donné que l’impédance thermique entre la jonction et le haut de l’emballage extérieur est relativement élevée par rapport à l’impédance thermique de la jonction au plot nu, nous pouvons ignorer le chemin de dissipation thermique θJA lors de la première estimation de la résistance thermique de la jonction à l’air ambiant (θJT).

La première étape de la conception de la dissipation thermique consiste à déterminer la quantité d’énergie à dissiper. La puissance consommée par le module (PD) peut être facilement calculée à l’aide du graphique d’efficacité (η) publié dans le tableau de données.

Nous utilisons ensuite les contraintes de température de la température maximale dans la conception, TAmbient, et la température de jonction nominale, TJuncTIon (125°C), pour déterminer la résistance thermique requise pour les modules emballés sur le PCB.

Enfin, nous avons utilisé une approximation simplifiée du transfert de chaleur par convection maximal sur la surface du circuit imprimé (avec des ailettes en cuivre de 1 once non endommagées et de nombreux trous de dissipation de chaleur aux étages supérieur et inférieur) pour déterminer la surface de plaque requise pour la dissipation thermique.

L’approximation requise de la surface du PCB ne prend pas en compte le rôle joué par les trous de dissipation thermique qui transfèrent la chaleur de la couche métallique supérieure (le boîtier est connecté au PCB) à la couche métallique inférieure. La couche inférieure sert de deuxième couche de surface à travers laquelle la convection peut transférer la chaleur de la plaque. Au moins 8 à 10 trous de refroidissement doivent être utilisés pour que l’approximation de la surface de la carte soit valide. La résistance thermique du dissipateur thermique est approximée par l’équation suivante.

Cette approximation s’applique à un trou traversant typique de 12 mils de diamètre avec une paroi latérale en cuivre de 0.5 oz. Autant de trous de dissipateur de chaleur que possible doivent être conçus dans toute la zone sous le coussin nu, et ces trous de dissipateur de chaleur doivent former un réseau avec un espacement de 1 à 1.5 mm.

conclusion

Le module d’alimentation SIMPLE SWITCHER offre une alternative aux conceptions d’alimentation complexes et aux configurations de circuits imprimés typiques associées aux convertisseurs DC/DC. Bien que les problèmes de configuration aient été éliminés, certains travaux d’ingénierie doivent encore être effectués pour optimiser les performances du module avec une bonne conception de dérivation et de dissipation thermique.