Baseado na PCB deseño da fonte de alimentación, este artigo introduce o mellor método de deseño de PCB, exemplos e técnicas para optimizar o rendemento do módulo de potencia do conmutador simple.

Ao planificar a disposición da fonte de alimentación, a primeira consideración é a área física do bucle dos dous lazos de corrente 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. No bucle 1 mostrado na figura 1, o condensador de derivación de entrada autocondutor actual (Cin1) pasa polo MOSFET ao indutor interno e ao condensador de derivación de saída (CO1) durante o tempo de condución continua do MOSFET de gama alta e finalmente volve a o condensador de derivación de entrada.

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

Figura 1 Esquema esquemático do bucle no módulo de potencia

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. A enerxía almacenada no indutor interno flúe a través do condensador de derivación de saída e os MOSFEts de gama baixa antes de regresar a GND (ver Figura 1). A rexión onde dous lazos non se superpoñen (incluído o límite entre os lazos) é a rexión con alta corrente DI / DT. O condensador de derivación de entrada (Cin1) xoga un papel fundamental na subministración de corrente de alta frecuencia ao convertedor e na devolución da corrente de alta frecuencia ao seu camiño de orixe.

O condensador de derivación de saída (Co1) non leva moita corrente alterna, pero actúa como un filtro de alta frecuencia para cambiar o ruído. Polas razóns anteriores, os condensadores de entrada e saída deberían colocarse o máis preto posible dos seus respectivos pines VIN e VOUT do módulo. Como se mostra na figura 2, a inductancia xerada por estas conexións pódese minimizar facendo que o cableado entre os condensadores de derivación e os seus respectivos pines VIN e VOUT sexa o máis curto e ancho posible.

Figura 2 Bucle SIMPLE SWITCHER

Minimizar a indutancia nun deseño de PCB ten dous grandes beneficios. En primeiro lugar, mellorar o rendemento dos compoñentes promovendo a transferencia de enerxía entre Cin1 e CO1. Isto garante que o módulo ten unha boa derivación hf, minimizando os picos de tensión indutiva debido á alta corrente DI / DT. Tamén minimiza o ruído e a tensión do dispositivo para garantir un funcionamento normal. En segundo lugar, minimiza o EMI.

Os condensadores conectados con menos indutancia parasitaria presentan características de baixa impedancia ás altas frecuencias, reducindo así a radiación conducida. Recoméndanse condensadores cerámicos (X7R ou X5R) ou outros condensadores de baixa ESR. Os condensadores de entrada adicionais só poden entrar en xogo se se colocan condensadores adicionais preto dos extremos GND e 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.

A planificación do camiño actual do circuíto adóitase descoidar, pero xoga un papel fundamental na optimización do deseño da fonte 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.

Os pins conectados á terra (incluídos os pads espidos), os condensadores de entrada e saída, os condensadores de arranque suave e as resistencias de retroalimentación do módulo deberían estar todos conectados á capa de bucle do PCB. Esta capa de bucle pode usarse como camiño de retorno cunha corrente de inductancia moi baixa e como dispositivo de disipación de calor que se describe a continuación.

FIG. 3 Diagrama esquemático do módulo e PCB como impedancia térmica

A resistencia de retroalimentación tamén debe colocarse o máis preto posible do pin FB (retroalimentación) do 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. Para obter un exemplo, vexa o diagrama de disposición do PCB na táboa de datos do módulo correspondente.

For AN example layout of LMZ14203, see the application guide document AN-2024 provided at www.naTIonal.com.

Suxestións de deseño de disipación de calor

O deseño compacto dos módulos, aínda que proporciona beneficios eléctricos, ten un impacto negativo no deseño de disipación de calor, onde a enerxía equivalente se disipa desde espazos máis pequenos. 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. A almofada axuda a proporcionar unha impedancia térmica moi baixa desde os MOSFEts internos, que normalmente xeran a maior parte da calor, ata o PCB.

A impedancia térmica (θJC) desde a unión semicondutora ata o paquete exterior destes dispositivos é de 1.9 ℃ / W. Aínda que o ideal é acadar un valor θJC líder na industria, un valor θJC baixo non ten sentido cando a impedancia térmica (θCA) do paquete exterior ao aire é demasiado grande. Se non se proporciona unha ruta de disipación de calor de baixa impedancia ao aire circundante, a calor acumularase na almofada espida e non se poderá disipar. Entón, que determina a θCA? A resistencia térmica desde o pad desnudo ao aire está completamente controlada polo deseño do PCB e polo disipador de calor asociado.

Agora, para unha rápida ollada a como deseñar un PCB sin aletas, a figura 3 ilustra o módulo e o PCB como impedancia térmica. Debido a que a impedancia térmica entre a unión e a parte superior do paquete exterior é relativamente alta en comparación coa impedancia térmica desde a unión ata a almofada espida, podemos ignorar a ruta de disipación de calor θJA durante a primeira estimación da resistencia térmica desde a unión ata o aire circundante (θJT).

O primeiro paso no deseño de disipación de calor é determinar a cantidade de enerxía que se vai disipar. A potencia consumida polo módulo (PD) pódese calcular facilmente usando o gráfico de eficiencia (η) publicado na táboa de datos.

A continuación, empregamos as restricións de temperatura da temperatura máxima no deseño, TAmbient, e a temperatura nominal da unión, TJuncTIon (125 ° C), para determinar a resistencia térmica necesaria para os módulos empaquetados no PCB.

Finalmente, utilizamos unha aproximación simplificada da transferencia de calor convectiva máxima na superficie do PCB (con aletas de cobre de 1 onza sen danos e numerosos buratos de disipador de calor nos pisos superior e inferior) para determinar a área da placa necesaria para a disipación de calor.

A aproximación á área de PCB requirida non ten en conta o papel que xogan os buratos de disipación de calor que transfiren calor da capa de metal superior (o paquete está conectado ao PCB) á capa de metal inferior. A capa inferior serve como segunda capa superficial a través da cal a convección pode transferir calor da placa. Para que a aproximación da área do taboleiro sexa válida deberíanse empregar polo menos de 8 a 10 buratos de refrixeración. A resistencia térmica do disipador de calor aproxímase coa seguinte ecuación.

Esta aproximación aplícase a un burato típico de 12 mils de diámetro con parede lateral de cobre de 0.5 oz. Deberían deseñarse o maior número posible de buratos de disipación de calor en toda a área debaixo da almofada espida e estes furados de disipación de calor deberían formar unha matriz cun espazo de 1 a 1.5 mm.

conclusión

O módulo de alimentación SIMPLE SWITCHER ofrece unha alternativa aos deseños complexos de subministración de enerxía e aos deseños típicos de PCB asociados aos convertidores CC / CC. Aínda que se eliminaron os desafíos de deseño, aínda hai que facer algúns traballos de enxeñaría para optimizar o rendemento do módulo cun bo deseño de bypass e disipación de calor.