に基づく PCB 電源のレイアウトについては、このペーパーでは、単純なスイッチャー電源モジュールのパフォーマンスを最適化するための最良のPCBレイアウト方法、例、および手法を紹介します。

電源のレイアウトを計画するとき、最初に考慮すべきことは、XNUMXつのスイッチング電流ループの物理ループ領域です。 これらのループ領域はパワーモジュールではほとんど見えませんが、モジュールを超えて拡張されているため、XNUMXつのループのそれぞれの電流パスを理解することが重要です。 図1に示すループ1では、電流自己導通入力バイパスコンデンサ（Cin1）は、ハイエンドMOSFETの連続導通時間中に、MOSFETを通過して内部インダクタと出力バイパスコンデンサ（CO1）に到達し、最終的に入力バイパスコンデンサ。

パワーモジュールのループの概略図www.elecfans.com

図1電源モジュールのループの概略図

ループ2は、内部ハイエンドMOSFETのターンオフ時間とローエンドMOSFETのターンオン時間の間に形成されます。 内部インダクタに蓄積されたエネルギーは、出力バイパスコンデンサとローエンドMOSFETを流れてから、GNDに戻ります（図1を参照）。 XNUMXつのループが重ならない領域（ループ間の境界を含む）は、DI / DT電流が高い領域です。 入力バイパスコンデンサ（Cin1）は、コンバータに高周波電流を供給し、高周波電流をソースパスに戻す上で重要な役割を果たします。

出力バイパスコンデンサ（Co1）は、AC電流をあまり流しませんが、スイッチングノイズの高周波フィルタとして機能します。 上記の理由により、入力コンデンサと出力コンデンサは、モジュールのそれぞれのVINピンとVOUTピンのできるだけ近くに配置する必要があります。 図2に示すように、これらの接続によって生成されるインダクタンスは、バイパスコンデンサとそれぞれのVINおよびVOUTピンの間の配線を可能な限り短く幅を広くすることによって最小限に抑えることができます。

図2SIMPLESWITCHERループ

PCBレイアウトのインダクタンスを最小化することには、XNUMXつの大きな利点があります。 まず、Cin1とCO1の間のエネルギー伝達を促進することにより、コンポーネントのパフォーマンスを向上させます。 これにより、モジュールのhfバイパスが良好になり、DI / DT電流が大きいことによる誘導電圧のピークが最小限に抑えられます。 また、デバイスのノイズと電圧ストレスを最小限に抑えて、正常な動作を保証します。 次に、EMIを最小限に抑えます。

寄生インダクタンスが少ないコンデンサは、高周波に対して低インピーダンス特性を示すため、伝導放射が減少します。 セラミックコンデンサ（X7RまたはX5R）またはその他の低ESRタイプのコンデンサをお勧めします。 追加の入力コンデンサは、追加のコンデンサがGNDとVINの端の近くに配置されている場合にのみ機能します。 SIMPLE SWITCHERのパワーモジュールは、低放射と伝導性EMIを持つように独自に設計されています。 ただし、より高いパフォーマンスを実現するには、この記事で説明されているPCBレイアウトガイドラインに従ってください。

回路の電流経路計画はしばしば無視されますが、電源設計を最適化する上で重要な役割を果たします。 さらに、Cin1とCO1へのアース線は可能な限り短くして広くし、裸のパッドを直接接続する必要があります。これは、AC電流が大きい入力コンデンサ（Cin1）のアース接続にとって特に重要です。

モジュール内の接地ピン（ベアパッドを含む）、入力および出力コンデンサ、ソフトスタートコンデンサ、およびフィードバック抵抗はすべて、PCBのループ層に接続する必要があります。 このループ層は、インダクタンス電流が非常に低いリターンパスとして、および以下で説明する熱放散デバイスとして使用できます。

図。 3熱インピーダンスとしてのモジュールとPCBの回路図

フィードバック抵抗も、モジュールのFB（フィードバック）ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。 この高インピーダンスノードでの潜在的なノイズ抽出値を最小限に抑えるには、FBピンとフィードバック抵抗のミドルタップの間のラインをできるだけ短くすることが重要です。 使用可能な補償コンポーネントまたはフィードフォワードコンデンサは、上部フィードバック抵抗のできるだけ近くに配置する必要があります。 例については、関連するモジュールデータテーブルのPCBレイアウト図を参照してください。

LMZ14203のレイアウト例については、www.naTIonal.comで提供されているアプリケーションガイドドキュメントAN-2024を参照してください。

熱放散設計の提案

モジュールのコンパクトなレイアウトは、電気的な利点を提供する一方で、同等の電力がより小さなスペースから放散される熱放散設計に悪影響を及ぼします。 この問題に対処するために、SIMPLE SWITCHERのパワーモジュールパッケージの背面にXNUMXつの大きな裸のパッドが設計されており、電気的に接地されています。 パッドは、通常ほとんどの熱を生成する内部MOSFETからPCBへの非常に低い熱インピーダンスを提供するのに役立ちます。

これらのデバイスの半導体接合部から外箱までの熱インピーダンス（θJC）は1.9℃/ Wです。 業界をリードするθJC値を達成することは理想的ですが、空気に対する外部パッケージの熱インピーダンス（θCA）が大きすぎる場合、低いθJC値は意味がありません。 周囲の空気に低インピーダンスの熱放散経路が提供されていない場合、熱は裸のパッドに蓄積され、放散できません。 では、何がθCAを決定するのでしょうか？ ベアパッドから空気への熱抵抗は、PCB設計と関連するヒートシンクによって完全に制御されます。

ここで、フィンのない単純なPCBを設計する方法を簡単に説明するために、図3にモジュールとPCBを熱インピーダンスとして示します。 接合部と外部パッケージの上部との間の熱インピーダンスは、接合部からベアパッドまでの熱インピーダンスと比較して比較的高いため、接合部から周囲の空気（θJT）。

熱放散設計の最初のステップは、放散される電力量を決定することです。 モジュールが消費する電力（PD）は、データテーブルに公開されている効率グラフ（η）を使用して簡単に計算できます。

次に、設計の最高温度TAmbientと定格接合部温度TJuncTIon（125°C）の温度制約を使用して、PCB上のパッケージモジュールに必要な熱抵抗を決定します。

最後に、PCB表面の最大対流熱伝達の簡略化された近似を使用して（損傷のない1オンスの銅フィンと最上階と最下階の両方に多数のヒートシンク穴がある）、熱放散に必要なプレート面積を決定しました。

必要なPCB面積の概算では、上部の金属層（パッケージがPCBに接続されている）から下部の金属層に熱を伝達する熱放散穴が果たす役割は考慮されていません。 最下層は、対流がプレートから熱を伝達できる第XNUMXの表面層として機能します。 ボード面積の概算を有効にするには、少なくとも8〜10個の冷却穴を使用する必要があります。 ヒートシンクの熱抵抗は次式で近似されます。

この概算は、12オンスの銅製側壁を備えた直径0.5ミルの一般的なスルーホールに適用されます。 ベアパッドの下の領域全体にできるだけ多くのヒートシンク穴を設計する必要があり、これらのヒートシンク穴は1〜1.5mmの間隔で配列を形成する必要があります。

結論

SIMPLE SWITCHER電源モジュールは、DC / DCコンバーターに関連する複雑な電源設計および一般的なPCBレイアウトの代替手段を提供します。 レイアウトの課題は解消されましたが、優れたバイパスと熱放散の設計でモジュールのパフォーマンスを最適化するために、いくつかのエンジニアリング作業を行う必要があります。