에 기초 PCB 전원 공급 장치의 레이아웃을 설명하기 위해 이 문서에서는 간단한 스위처 전원 모듈의 성능을 최적화하기 위한 최상의 PCB 레이아웃 방법, 예제 및 기술을 소개합니다.

전원 공급 장치 레이아웃을 계획할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 두 스위칭 전류 루프의 물리적 루프 영역입니다. 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. 그림 1에 표시된 루프 1에서 전류 자체 전도 입력 바이패스 커패시터(Cin1)는 고급 MOSFET의 연속 전도 시간 동안 MOSFET을 통해 내부 인덕터 및 출력 바이패스 커패시터(CO1)로 전달되고 최종적으로 입력 바이패스 커패시터.

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. 내부 인덕터에 저장된 에너지는 GND로 돌아가기 전에 출력 바이패스 커패시터와 로우엔드 MOSFET을 통해 흐릅니다(그림 1 참조). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. 입력 바이패스 커패시터(Cin1)는 고주파 전류를 컨버터에 공급하고 고주파 전류를 소스 경로로 되돌리는 데 중요한 역할을 합니다.

출력 바이패스 커패시터(Co1)는 많은 AC 전류를 전달하지 않지만 스위칭 노이즈에 대한 고주파 필터 역할을 합니다. 위의 이유로 입력 및 출력 커패시터는 모듈의 해당 VIN 및 VOUT 핀에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 바이패스 커패시터와 해당 VIN 및 VOUT 핀 사이의 배선을 최대한 짧고 넓게 만들어 이러한 연결에 의해 생성된 인덕턴스를 최소화할 수 있습니다.

그림 2 SIMPLE SWITCHER 루프

PCB 레이아웃에서 인덕턴스를 최소화하면 두 가지 주요 이점이 있습니다. 첫째, Cin1과 CO1 사이의 에너지 전달을 촉진하여 구성요소 성능을 개선합니다. 이는 모듈이 우수한 hf 바이패스를 갖도록 하여 높은 DI/DT 전류로 인한 유도 전압 피크를 최소화합니다. 또한 장치 노이즈와 전압 스트레스를 최소화하여 정상적인 작동을 보장합니다. 둘째, EMI를 최소화합니다.

기생 인덕턴스가 적게 연결된 커패시터는 고주파수에 대해 낮은 임피던스 특성을 나타내므로 전도 방사를 줄입니다. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. 추가 입력 커패시터는 추가 커패시터가 GND 및 VIN 끝 근처에 배치되는 경우에만 작동할 수 있습니다. 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.

회로 전류 경로 계획은 종종 무시되지만 전원 공급 장치 설계를 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 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.

접지된 핀(베어 패드 포함), 입력 및 출력 커패시터, 소프트 스타트 커패시터, 모듈의 피드백 저항은 모두 PCB의 루프 레이어에 연결되어야 합니다. 이 루프 레이어는 인덕턴스 전류가 매우 낮은 리턴 경로와 아래에서 설명하는 방열 장치로 사용할 수 있습니다.

무화과. 3 열 임피던스로서의 모듈 및 PCB의 개략도

피드백 저항도 모듈의 FB(피드백) 핀에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 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.

방열 설계 제안

모듈의 컴팩트한 레이아웃은 전기적 이점을 제공하면서 더 작은 공간에서 동등한 전력이 소산되는 방열 설계에 부정적인 영향을 미칩니다. 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. 패드는 일반적으로 대부분의 열을 발생시키는 내부 MOSFET에서 PCB로 극도로 낮은 열 임피던스를 제공하는 데 도움이 됩니다.

이들 소자의 반도체 접합부에서 외부 패키지까지의 열 임피던스(θJC)는 1.9℃/W이다. 업계 최고의 θJC 값을 달성하는 것이 이상적이지만 외부 패키지의 공기에 대한 열 임피던스(θCA)가 너무 큰 경우 낮은 θJC 값은 의미가 없습니다! 주변 공기에 대한 낮은 임피던스 열 발산 경로가 제공되지 않으면 열이 베어 패드에 축적되어 발산될 수 없습니다. 그렇다면 θCA를 결정하는 것은 무엇입니까? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

이제 핀이 없는 간단한 PCB를 설계하는 방법을 간단히 살펴보기 위해 그림 3은 모듈과 PCB를 열 임피던스로 보여줍니다. 접합부와 외부 패키지 상단 사이의 열 임피던스는 접합부에서 베어 패드까지의 열 임피던스에 비해 상대적으로 높기 때문에 접합부에서 패드까지의 열 저항을 처음 추정하는 동안 θJA 열 발산 경로를 무시할 수 있습니다. 주변 공기(θJT).

방열 설계의 첫 번째 단계는 방열할 전력량을 결정하는 것입니다. 모듈에서 소비하는 전력(PD)은 데이터 테이블에 게시된 효율 그래프(η)를 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다.

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.

마지막으로 PCB 표면의 최대 대류 열 전달에 대한 단순화된 근사값(상단 및 하단 바닥 모두에 손상되지 않은 1온스 구리 핀과 수많은 방열판 구멍 포함)을 사용하여 방열에 필요한 플레이트 영역을 결정했습니다.

필요한 PCB 면적 근사치는 상단 금속층(패키지가 PCB에 연결됨)에서 하단 금속층으로 열을 전달하는 방열 구멍의 역할을 고려하지 않습니다. 바닥 층은 대류가 판에서 열을 전달할 수 있는 두 번째 표면 층 역할을 합니다. 보드 면적 근사치가 유효하려면 최소 8~10개의 냉각 구멍을 사용해야 합니다. 방열판의 열 저항은 다음 식으로 근사됩니다.

이 근사치는 12oz 구리 측벽이 있는 0.5mil 직경의 일반적인 관통 구멍에 적용됩니다. Bare Pad 아래 전체 영역에 가능한 한 많은 Heat Sink Hole을 설계하고, 이러한 Heat Sink Hole은 1~1.5mm의 간격으로 어레이를 형성해야 한다.

결론

SIMPLE SWITCHER 전원 모듈은 DC/DC 컨버터와 관련된 복잡한 전원 공급 장치 설계 및 일반적인 PCB 레이아웃에 대한 대안을 제공합니다. 레이아웃 문제가 제거되었지만 우수한 바이패스 및 열 발산 설계로 모듈 성능을 최적화하려면 일부 엔지니어링 작업을 수행해야 합니다.