Basato sul PCB layout dell’alimentatore, questo documento introduce il miglior metodo di layout PCB, esempi e tecniche per ottimizzare le prestazioni del semplice modulo di alimentazione dello switcher.

Quando si pianifica il layout dell’alimentatore, la prima considerazione è l’area del loop fisico dei due loop di corrente di commutazione. 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. Nel loop 1 mostrato nella Figura 1, l’attuale condensatore di bypass di ingresso autoconduttore (Cin1) passa attraverso il MOSFET all’induttore interno e al condensatore di bypass di uscita (CO1) durante il tempo di conduzione continua del MOSFET di fascia alta e infine ritorna a il condensatore di bypass di ingresso.

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. L’energia immagazzinata nell’induttore interno scorre attraverso il condensatore di bypass di uscita e i MOSFet di fascia bassa prima di tornare a GND (vedi Figura 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. Il condensatore di bypass di ingresso (Cin1) svolge un ruolo chiave nell’alimentare la corrente ad alta frequenza al convertitore e nel riportare la corrente ad alta frequenza al suo percorso di origine.

Il condensatore di bypass di uscita (Co1) non trasporta molta corrente alternata, ma funge da filtro ad alta frequenza per il rumore di commutazione. Per i motivi di cui sopra, i condensatori di ingresso e di uscita devono essere posizionati il ​​più vicino possibile ai rispettivi pin VIN e VOUT sul modulo. Come mostrato in Figura 2, l’induttanza generata da queste connessioni può essere ridotta al minimo rendendo il cablaggio tra i condensatori di bypass e i rispettivi pin VIN e VOUT il più corto e largo possibile.

Figura 2 loop SWITCHER SEMPLICE

Ridurre al minimo l’induttanza in un layout PCB ha due vantaggi principali. Innanzitutto, migliorare le prestazioni dei componenti promuovendo il trasferimento di energia tra Cin1 e CO1. Ciò garantisce che il modulo disponga di un buon bypass hf, riducendo al minimo i picchi di tensione induttivi dovuti all’elevata corrente DI/DT. Inoltre, riduce al minimo il rumore del dispositivo e lo stress da tensione per garantire il normale funzionamento. In secondo luogo, ridurre al minimo l’EMI.

I condensatori collegati con un’induttanza meno parassita mostrano caratteristiche di bassa impedenza alle alte frequenze, riducendo così la radiazione condotta. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Condensatori di ingresso aggiuntivi possono entrare in gioco solo se i condensatori aggiuntivi sono posizionati vicino alle estremità 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.

La pianificazione del percorso della corrente del circuito è spesso trascurata, ma svolge un ruolo chiave nell’ottimizzazione della progettazione dell’alimentatore. 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.

I pin messi a terra (compresi i pad nudi), i condensatori di ingresso e di uscita, i condensatori di soft-start e i resistori di retroazione nel modulo devono essere tutti collegati allo strato di loop sul PCB. Questo strato ad anello può essere utilizzato come percorso di ritorno con una corrente di induttanza estremamente bassa e come dispositivo di dissipazione del calore discusso di seguito.

FICO. 3 Schema schematico del modulo e PCB come impedenza termica

Anche il resistore di feedback dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile al pin FB (feedback) del modulo. 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.

Suggerimenti per la progettazione della dissipazione del calore

Il layout compatto dei moduli, pur fornendo vantaggi elettrici, ha un impatto negativo sul progetto di dissipazione del calore, dove la potenza equivalente viene dissipata da spazi più piccoli. 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. Il pad aiuta a fornire un’impedenza termica estremamente bassa dai MOSFet interni, che in genere generano la maggior parte del calore, al PCB.

L’impedenza termica (θJC) dalla giunzione del semiconduttore al pacchetto esterno di questi dispositivi è 1.9℃/W. Sebbene il raggiungimento di un valore θJC leader del settore sia l’ideale, un valore θJC basso non ha senso quando l’impedenza termica (θCA) del pacchetto esterno rispetto all’aria è eccessiva! 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. Quindi cosa determina θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Ora per una rapida occhiata a come progettare un semplice PCB senza alette, la figura 3 illustra il modulo e il PCB come impedenza termica. Poiché l’impedenza termica tra la giunzione e la parte superiore del pacchetto esterno è relativamente alta rispetto all’impedenza termica dalla giunzione al pad nudo, possiamo ignorare il percorso di dissipazione del calore θJA durante la prima stima della resistenza termica dalla giunzione a l’aria circostante (θJT).

Il primo passo nella progettazione della dissipazione del calore è determinare la quantità di potenza da dissipare. La potenza consumata dal modulo (PD) può essere facilmente calcolata utilizzando il grafico dell’efficienza (η) pubblicato nella tabella dati.

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.

Infine, abbiamo utilizzato un’approssimazione semplificata del massimo trasferimento di calore convettivo sulla superficie del PCB (con alette di rame da 1 oncia non danneggiate e numerosi fori del dissipatore di calore su entrambi i piani superiore e inferiore) per determinare l’area della piastra necessaria per la dissipazione del calore.

L’approssimazione dell’area PCB richiesta non tiene conto del ruolo svolto dai fori di dissipazione del calore che trasferiscono il calore dallo strato metallico superiore (il pacchetto è collegato al PCB) allo strato metallico inferiore. Lo strato inferiore funge da secondo strato superficiale attraverso il quale la convezione può trasferire calore dalla piastra. Affinché l’approssimazione dell’area della scheda sia valida, devono essere utilizzati almeno da 8 a 10 fori di raffreddamento. La resistenza termica del dissipatore di calore è approssimata dalla seguente equazione.

Questa approssimazione si applica a un tipico foro passante di 12 mil di diametro con parete laterale di rame da 0.5 once. Il maggior numero possibile di fori del dissipatore di calore dovrebbe essere progettato nell’intera area al di sotto del pad nudo e questi fori del dissipatore di calore dovrebbero formare una matrice con una distanza da 1 a 1.5 mm.

conclusione

Il modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER fornisce un’alternativa ai progetti di alimentazione complessi e ai tipici layout PCB associati ai convertitori DC/DC. Sebbene i problemi di layout siano stati eliminati, è ancora necessario eseguire alcuni lavori di ingegneria per ottimizzare le prestazioni del modulo con un buon design di bypass e dissipazione del calore.