Berdasarkan PCB tata letak catu daya, makalah ini memperkenalkan metode, contoh, dan teknik tata letak PCB terbaik untuk mengoptimalkan kinerja modul daya pengalih sederhana.

Saat merencanakan tata letak catu daya, pertimbangan pertama adalah area loop fisik dari dua loop arus switching. 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. Dalam loop 1 yang ditunjukkan pada Gambar 1, kapasitor bypass input konduksi sendiri (Cin1) saat ini melewati MOSFET ke induktor internal dan kapasitor bypass output (CO1) selama waktu konduksi kontinu dari MOSFET high-end, dan akhirnya kembali ke kapasitor bypass masukan.

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

Gambar 1 Diagram skema loop dalam modul daya

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. Energi yang tersimpan dalam induktor internal mengalir melalui kapasitor bypass keluaran dan MOSFET low end sebelum kembali ke GND (lihat Gambar 1). Daerah di mana dua loop tidak saling tumpang tindih (termasuk batas antar loop) adalah wilayah dengan arus DI/DT tinggi. Kapasitor bypass input (Cin1) memainkan peran kunci dalam memasok arus frekuensi tinggi ke konverter dan mengembalikan arus frekuensi tinggi ke jalur sumbernya.

Kapasitor bypass keluaran (Co1) tidak membawa banyak arus AC, tetapi bertindak sebagai filter frekuensi tinggi untuk mengalihkan kebisingan. Untuk alasan di atas, kapasitor input dan output harus ditempatkan sedekat mungkin dengan masing-masing pin VIN dan VOUT pada modul. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, induktansi yang dihasilkan oleh koneksi ini dapat diminimalkan dengan membuat kabel antara kapasitor bypass dan masing-masing pin VIN dan VOUT sesingkat dan selebar mungkin.

Gambar 2 loop SWITCHER SEDERHANA

Meminimalkan induktansi dalam tata letak PCB memiliki dua manfaat utama. Pertama, meningkatkan kinerja komponen dengan mempromosikan transfer energi antara Cin1 dan CO1. Ini memastikan bahwa modul memiliki bypass hf yang baik, meminimalkan puncak tegangan induktif karena arus DI/DT yang tinggi. Ini juga meminimalkan kebisingan perangkat dan tegangan tegangan untuk memastikan operasi normal. Kedua, meminimalkan EMI.

Kapasitor terhubung dengan induktansi parasit kurang menunjukkan karakteristik impedansi rendah untuk frekuensi tinggi, sehingga mengurangi radiasi yang dilakukan. Kapasitor keramik (X7R atau X5R) atau kapasitor tipe ESR rendah lainnya direkomendasikan. Kapasitor input tambahan hanya dapat ikut bermain jika kapasitor tambahan ditempatkan di dekat ujung GND dan 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.

Perencanaan jalur arus sirkuit sering diabaikan, tetapi memainkan peran kunci dalam mengoptimalkan desain catu daya. 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.

Pin yang diarde (termasuk bantalan kosong), kapasitor input dan output, kapasitor soft-start, dan resistor umpan balik dalam modul semuanya harus terhubung ke lapisan loop pada PCB. Lapisan loop ini dapat digunakan sebagai jalur balik dengan arus induktansi yang sangat rendah dan sebagai perangkat pembuangan panas yang dibahas di bawah ini.

ARA. 3 Diagram skematik modul dan PCB sebagai impedansi termal

Resistor umpan balik juga harus ditempatkan sedekat mungkin dengan pin FB (umpan balik) modul. 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.

Saran Desain Disipasi Panas

Tata letak modul yang ringkas, sambil memberikan manfaat listrik, memiliki dampak negatif pada desain pembuangan panas, di mana daya setara dihamburkan dari Ruang yang lebih kecil. 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. Pad membantu memberikan impedansi termal yang sangat rendah dari MOSFET internal, yang biasanya menghasilkan sebagian besar panas, ke PCB.

Impedansi termal (θJC) dari sambungan semikonduktor ke paket luar perangkat ini adalah 1.9℃/W. Meskipun mencapai nilai JC yang terdepan di industri adalah ideal, nilai JC yang rendah tidak masuk akal jika impedansi termal (θCA) paket luar ke udara terlalu besar! Jika tidak ada jalur pembuangan panas impedansi rendah yang disediakan ke udara sekitar, panas akan terakumulasi pada bantalan kosong dan tidak dapat dihilangkan. Jadi apa yang menentukan CA? Resistansi termal dari bantalan telanjang ke udara sepenuhnya dikendalikan oleh desain PCB dan heat sink terkait.

Sekarang untuk melihat sekilas bagaimana merancang PCB sederhana tanpa sirip, gambar 3 mengilustrasikan modul dan PCB sebagai impedansi termal. Karena impedansi termal antara junction dan bagian atas paket luar relatif tinggi dibandingkan dengan impedansi termal dari junction ke bare pad, kita dapat mengabaikan jalur pembuangan panas JA selama estimasi pertama resistansi termal dari junction ke udara sekitar (θJT).

Langkah pertama dalam desain disipasi panas adalah menentukan jumlah daya yang akan dihamburkan. Daya yang dikonsumsi oleh modul (PD) dapat dengan mudah dihitung menggunakan grafik efisiensi (η) yang dipublikasikan dalam tabel data.

Kami kemudian menggunakan batasan suhu suhu maksimum dalam desain, TAmbient, dan suhu sambungan pengenal, TJuncTion(125 ° C), untuk menentukan ketahanan termal yang diperlukan untuk modul yang dikemas pada PCB.

Akhirnya, kami menggunakan pendekatan yang disederhanakan dari perpindahan panas konvektif maksimum pada permukaan PCB (dengan sirip tembaga 1 ons yang tidak rusak dan banyak lubang pendingin di lantai atas dan bawah) untuk menentukan area pelat yang diperlukan untuk pembuangan panas.

Perkiraan area PCB yang diperlukan tidak memperhitungkan peran yang dimainkan oleh lubang pembuangan panas yang mentransfer panas dari lapisan logam atas (paket terhubung ke PCB) ke lapisan logam bawah. Lapisan bawah berfungsi sebagai lapisan permukaan kedua di mana konveksi dapat mentransfer panas dari pelat. Setidaknya 8 hingga 10 lubang pendingin harus digunakan agar perkiraan area papan menjadi valid. Resistansi termal dari heat sink didekati dengan persamaan berikut.

Perkiraan ini berlaku untuk lubang tembus tipikal berdiameter 12 mil dengan dinding samping tembaga 0.5 oz. Lubang pendingin sebanyak mungkin harus dirancang di seluruh area di bawah bantalan kosong, dan lubang pendingin ini harus membentuk susunan dengan jarak 1 hingga 1.5 mm.

kesimpulan

Modul daya SIMPLE SWITCHER menyediakan alternatif untuk desain catu daya yang kompleks dan tata letak PCB khas yang terkait dengan konverter DC/DC. Sementara tantangan tata letak telah dihilangkan, beberapa pekerjaan rekayasa masih perlu dilakukan untuk mengoptimalkan kinerja modul dengan desain bypass dan pembuangan panas yang baik.