Na temelju PCB raspored napajanja, ovaj rad predstavlja najbolju metodu rasporeda PCB -a, primjere i tehnike za optimizaciju performansi jednostavnog sklopnog modula napajanja.

Prilikom planiranja rasporeda napajanja, prvo se razmatra fizičko područje petlje dvije sklopne strujne petlje. 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. U petlji 1 prikazanoj na slici 1, trenutni samovodljivi ulazni zaobilazni kondenzator (Cin1) prolazi kroz MOSFET do unutarnjeg induktora i izlaznog zaobilaznog kondenzatora (CO1) tijekom vremena kontinuiranog provođenja vrhunskog MOSFET-a, te se na kraju vraća na ulazni zaobilazni kondenzator.

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

Slika 1 Shematski dijagram petlje u modulu napajanja

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. Energija pohranjena u unutarnjem induktoru teče kroz izlazni zaobilazni kondenzator i niske MOSFEte prije povratka na GND (vidi sliku 1). Područje u kojem se dvije petlje ne preklapaju (uključujući granicu između petlji) je područje s visokom DI/DT strujom. Ulazni zaobilazni kondenzator (Cin1) igra ključnu ulogu u opskrbi visokofrekventne struje pretvarača i vraćanju visokofrekventne struje na izvornu putanju.

Izlazni zaobilazni kondenzator (Co1) ne nosi veliku izmjeničnu struju, ali djeluje kao visokofrekventni filter za prebacivanje šuma. Iz gore navedenih razloga, ulazni i izlazni kondenzatori trebaju biti postavljeni što je moguće bliže odgovarajućim VIN i VOUT pinovima na modulu. Kao što je prikazano na slici 2, induktivnost koju stvaraju ti spojevi može se minimizirati tako da ožičenje između zaobilaznih kondenzatora i njihovih odgovarajućih VIN i VOUT pinova bude što kraće i šire.

Slika 2 JEDNOSTAVNA PREKIDAČA petlja

Minimiziranje induktiviteta u rasporedu PCB -a ima dvije velike prednosti. Prvo, poboljšajte performanse komponenti promicanjem prijenosa energije između Cin1 i CO1. To osigurava da modul ima dobru hf premosnicu, minimizirajući vršne vrijednosti induktivnog napona zbog visoke DI/DT struje. Također smanjuje buku uređaja i naponski napon kako bi se osigurao normalan rad. Drugo, minimizirajte EMI.

Kondenzatori povezani s manjom parazitskom induktivnošću pokazuju niske impedancijske karakteristike prema visokim frekvencijama, čime se smanjuje provedeno zračenje. Preporučuju se keramički kondenzatori (X7R ili X5R) ili drugi kondenzatori niskog ESR tipa. Dodatni ulazni kondenzatori mogu se aktivirati samo ako su dodatni kondenzatori postavljeni blizu krajeva GND i 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.

Planiranje putanje strujnog kruga često se zanemaruje, ali igra ključnu ulogu u optimizaciji dizajna napajanja. 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.

Uzemljeni pinovi (uključujući gole pločice), ulazni i izlazni kondenzatori, kondenzatori s mekim startom i otpornici povratne sprege u modulu trebali bi biti spojeni na sloj petlje na PCB-u. Ovaj sloj petlje može se koristiti kao povratni put s iznimno niskom strujom induktiviteta i kao uređaj za odvođenje topline koji se raspravlja u nastavku.

Sl. 3 Shematski dijagram modula i PCB -a kao toplinska impedancija

Povratni otpornik također treba postaviti što bliže FB (povratnom) pinu modula. 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. Na primjer, pogledajte dijagram izgleda PCB -a u odgovarajućoj tablici podataka modula.

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

Prijedlozi dizajna odvođenja topline

Kompaktan raspored modula, iako pruža električne prednosti, ima negativan utjecaj na dizajn rasipanja topline, gdje se ekvivalentna snaga rasipa iz manjih prostora. 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. Jastučić pomaže osigurati iznimno nisku toplinsku impedanciju iz unutarnjih MOSFE -ova, koji obično generiraju većinu topline, na PCB.

Toplinska impedancija (θJC) od spoja poluvodiča do vanjskog paketa ovih uređaja iznosi 1.9 ℃/W. Iako je postizanje vodeće vrijednosti θJC idealne, niska vrijednost θJC nema smisla ako je toplinska impedancija (θCA) vanjskog paketa prema zraku prevelika! Ako se okolnom zraku ne omogući put rasipanja topline niske impedancije, toplina će se akumulirati na goloj podlozi i neće se moći rasipati. Dakle, što određuje θCA? Toplinski otpor od golog jastučića do zraka u potpunosti je kontroliran dizajnom PCB -a i pripadajućim hladnjakom.

Sada za brzi pogled na to kako dizajnirati jednostavno PCB bez peraja, slika 3 prikazuje modul i PCB kao toplinsku impedanciju. Budući da je toplinska impedancija između spoja i vrha vanjskog paketa relativno visoka u usporedbi s toplinskom impedancijom od spoja do gole podloge, možemo zanemariti put rasipanja topline θJA tijekom prve procjene toplinskog otpora od spoja do spoja okolni zrak (θJT).

Prvi korak u projektiranju rasipanja topline je utvrđivanje količine energije koja će se rasipati. Snaga koju troši modul (PD) može se lako izračunati pomoću grafikona učinkovitosti (η) objavljenog u tablici podataka.

Zatim koristimo temperaturna ograničenja maksimalne temperature u projektu, TAmbient i nazivne temperature spoja, TJuncTIon (125 ° C), za određivanje toplinskog otpora potrebnog za zapakirane module na PCB -u.

Konačno, upotrijebili smo pojednostavljenu aproksimaciju maksimalnog konvekcijskog prijenosa topline na ploči PCB-a (s neoštećenim bakrenim rebrima od 1 unce i brojnim otvorima za hladnjak na gornjem i donjem katu) kako bismo odredili površinu ploče potrebnu za odvođenje topline.

Potrebna aproksimacija područja PCB -a ne uzima u obzir ulogu koju imaju rupe za rasipanje topline koje prenose toplinu s gornjeg metalnog sloja (paket je spojen na PCB) na donji metalni sloj. Donji sloj služi kao drugi površinski sloj kroz koji konvekcija može prenositi toplinu s ploče. Da bi aproksimacija površine ploče bila važeća, potrebno je upotrijebiti najmanje 8 do 10 rupa za hlađenje. Toplinski otpor hladnjaka je aproksimiran sljedećom jednadžbom.

Ova se aproksimacija odnosi na tipičnu prolaznu rupu promjera 12 milja s bakrenom bočnom stijenkom od 0.5 oz. U cijelom području ispod gole podloge treba projektirati što je moguće više rupa za hladnjak, a ti otvori za hladnjak trebaju tvoriti niz s razmakom od 1 do 1.5 mm.

zaključak

Modul napajanja SIMPLE SWITCHER nudi zamjenu za složene dizajne napajanja i tipične rasporede PCB -a koji su povezani s DC/DC pretvaračima. Iako su izazovi rasporeda eliminirani, potrebno je još učiniti neke inženjerske radove kako bi se optimizirale performanse modula s dobrim dizajnom zaobilaženja i odvođenja topline.