מבוסס על ה PCB פריסת אספקת החשמל, מאמר זה מציג את שיטת פריסת ה- PCB הטובה ביותר, דוגמאות וטכניקות לייעל את הביצועים של מודול כוח מחליף פשוט.

בעת תכנון פריסת אספקת החשמל, השיקול הראשון הוא אזור הלולאה הפיזית של שתי הלולאות הנוכחיות. 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. בלולאה 1 המוצגת באיור 1, קבל מעקף הכניסה הנוכחי המוליך את עצמו (Cin1) עובר דרך ה- MOSFET אל הקבל הפנימי והמעקף הפנימי (CO1) בזמן ההולכה הרציפה של ה- MOSFET המתקדמת, ולבסוף חוזר ל קבל מעקף הכניסה.

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

איור 1 תרשים סכמטי של לולאה במודול הספק

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. האנרגיה המאוחסנת במשרן הפנימי זורמת דרך קבל מעקף הפלט ו MOSFEts בקצה נמוך לפני החזרה ל- GND (ראה איור 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. קבל מעקף הכניסה (Cin1) ממלא תפקיד מרכזי באספקת הזרם בתדר גבוה לממיר ובהחזרת זרם התדר הגבוה לנתיב המקור שלו.

קבל מעקף הפלט (Co1) אינו נושא זרם AC רב, אך משמש כמסנן בתדירות גבוהה להעברת רעש. מהסיבות שלעיל, יש להציב קבלים קלט ופלט קרוב ככל האפשר לסיכות VIN ו- VOUT בהתאמה שלהם במודול. כפי שמוצג באיור 2, ניתן למזער את השראות שנוצרת על ידי חיבורים אלה על ידי הפיכת החיווט בין קבלים המעקפים וסיכות VIN ו- VOUT בהתאמה שלהם לקצר ורחב ככל האפשר.

איור 2 לולאת SWITCHER פשוטה

למזעור ההשראות בפריסת PCB יש שני יתרונות עיקריים. ראשית, שפר את ביצועי הרכיבים על ידי קידום העברת אנרגיה בין Cin1 ו- CO1. זה מבטיח שלמודול יש מעקף hf טוב, הממזער פסגות מתח אינדוקטיביות בגלל זרם DI/DT גבוה. הוא גם ממזער את רעשי המכשיר ומתח המתח כדי להבטיח פעולה רגילה. שנית, למזער את ה- EMI.

קבלים המחוברים עם השראות פחות טפילית מציגים מאפייני עכבה נמוכים לתדרים גבוהים, ובכך מפחיתים קרינה מוליכה. מומלץ קבלים קרמיים (X7R או X5R) או קבלים אחרים מסוג ESR נמוך. קבלים קלט נוספים יכולים לשחק רק אם קבלים נוספים ממוקמים ליד קצוות ה- GND וה- 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.

תכנון נתיבי המעגלים הנוכחי מוזנח לעתים קרובות, אך הוא ממלא תפקיד מרכזי בייעול עיצוב אספקת החשמל. 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.

סיכות מוארקות (כולל רפידות חשופות), קבלים קלט ופלט, קבלים להתנעה רכה ונגדי משוב במודול צריכים להיות מחוברים כולם לשכבת הלולאה במעגל הלוח. שכבת לולאה זו יכולה לשמש כנתיב חזרה עם זרם השראות נמוך במיוחד וכמכשיר לפיזור חום שנדון להלן.

תאנה. 3 תרשים סכמטי של מודול ו- PCB כעכבה תרמית

נגד המשוב צריך גם להיות ממוקם קרוב ככל האפשר לסיכת ה- FB (משוב) של המודול. 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.

הצעות עיצוב לפיזור חום

הפריסה הקומפקטית של המודולים, תוך מתן יתרונות חשמליים, משפיעה לרעה על עיצוב פיזור החום, שם מתפזר כוח שווה ממקומות קטנים יותר. 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. הרפידה מסייעת לספק עכבה תרמית נמוכה במיוחד מה- MOSFEts הפנימי, המייצר בדרך כלל את רוב החום, אל ה- PCB.

העכבה התרמית (θJC) מצומת המוליכים למחצה לאריזה החיצונית של מכשירים אלה היא 1.9 ℃/וו. אמנם השגת ערך θJC המוביל בתעשייה היא אידיאלית, אך ערך θJC נמוך אינו הגיוני כאשר העכבה התרמית (θCA) של החבילה החיצונית לאוויר גדולה מדי! אם לא מסופק נתיב פיזור חום בעל עכבה נמוכה לאוויר שמסביב, החום יצטבר על הכרית החשופה ולא ניתן לפזר אותה. אז מה קובע θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

כעת למבט מהיר כיצד לעצב PCB פשוט ללא סנפירים, איור 3 ממחיש את המודול ואת ה- PCB כעכבה תרמית. מכיוון שהעכבה התרמית בין הצומת לחלק העליון של האריזה החיצונית גבוהה יחסית לעכבה התרמית מהצומת לרפידה החשופה, אנו יכולים להתעלם מנתיב פיזור החום θJA במהלך האומדן הראשון של ההתנגדות התרמית מהצומת עד האוויר שמסביב (θJT).

השלב הראשון בעיצוב פיזור החום הוא לקבוע את כמות הכוח שיש לפזר. ניתן לחשב את הכוח הנצרך על ידי המודול (PD) באמצעות גרף היעילות (η) המפורסם בטבלת הנתונים.

לאחר מכן אנו משתמשים במגבלות הטמפרטורה של הטמפרטורה המקסימלית בעיצוב, TAmbient, ובטמפרטורת הצומת המדורגת, TJuncTIon (125 ° C), כדי לקבוע את ההתנגדות התרמית הנדרשת עבור המודולים הארוזים על הלוח.

לבסוף, השתמשנו בקירוב מפושט של העברת החום המרבי המירבית על משטח הלוח (עם סנפירים נחושת לא גרם אחד וחורי כיור קירור בקומות העליונות והתחתונות) כדי לקבוע את שטח הצלחת הנדרש לפיזור החום.

קירוב שטח PCB הנדרש אינו לוקח בחשבון את התפקיד שממלאים חורי פיזור חום המעבירים חום משכבת ​​המתכת העליונה (החבילה מחוברת ל- PCB) לשכבת המתכת התחתונה. השכבה התחתונה משמשת כשכבת משטח שנייה דרכה הסעה יכולה להעביר חום מהצלחת. יש להשתמש לפחות 8 עד 10 חורי קירור כדי שהקירוב של שטח הלוח יהיה תקף. ההתנגדות התרמית של גוף הקירור מקורבת על ידי המשוואה הבאה.

קירוב זה חל על חור דרך טיפוסי בקוטר 12 מיל עם דופן נחושת של 0.5 גרם. יש לעצב כמה שיותר חורי גוף קירור בכל האזור שמתחת לרפידה החשופה, וחורים אלה של גוף הקירור צריכים ליצור מערך עם מרווח של 1 עד 1.5 מ”מ.

מסקנה

מודול הכוח SIMPLE SWITCHER מספק חלופה לעיצובים מורכבים של אספקת חשמל ולפריסות PCB טיפוסיות הקשורות לממירים DC/DC. למרות שאתגרי הפריסה חוסלו, עדיין יש לבצע עבודות הנדסיות בכדי לייעל את ביצועי המודול עם עיצוב מעקף טוב ופיזור חום.