Berdasarkan BPA susun atur bekalan kuasa, makalah ini memperkenalkan kaedah susun atur PCB terbaik, contoh dan teknik untuk mengoptimumkan prestasi modul kuasa suis sederhana.

Semasa merancang susun atur bekalan kuasa, pertimbangan pertama adalah kawasan gelung fizikal kedua gelung arus suis. 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 gelung 1 yang ditunjukkan dalam Rajah 1, kapasitor pintasan input kendiri semasa (Cin1) melewati MOSFET ke kapasitor pintasan induktor dan output (CO1) dalaman semasa masa pengaliran berterusan MOSFET mewah, dan akhirnya kembali ke kapasitor pintasan input.

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. Tenaga yang tersimpan dalam induktor dalaman mengalir melalui kapasitor pintas output dan MOSFEts akhir rendah sebelum kembali ke GND (lihat Rajah 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. Kapasitor pintasan input (Cin1) memainkan peranan penting dalam membekalkan arus frekuensi tinggi ke penukar dan mengembalikan arus frekuensi tinggi ke jalur sumbernya.

Kapasitor pintas keluaran (Co1) tidak membawa arus AC yang banyak, tetapi bertindak sebagai penapis frekuensi tinggi untuk menukar bunyi. Atas sebab-sebab di atas, kapasitor input dan output harus diletakkan sedekat mungkin ke pin VIN dan VOUT masing-masing pada modul. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, induktansi yang dihasilkan oleh sambungan ini dapat diminimalkan dengan membuat pendawaian antara kapasitor pintasan dan pin VIN dan VOUT masing-masing sesingkat dan selebar mungkin.

Rajah 2 gelung PEMANDU SEDERHANA

Meminimumkan induktansi dalam susun atur PCB mempunyai dua faedah utama. Pertama, tingkatkan prestasi komponen dengan mempromosikan pemindahan tenaga antara Cin1 dan CO1. Ini memastikan bahawa modul mempunyai hf bypass yang baik, meminimumkan puncak voltan induktif kerana arus DI / DT yang tinggi. Ia juga meminimumkan kebisingan dan tekanan voltan peranti untuk memastikan operasi normal. Kedua, kurangkan EMI.

Kapasitor yang dihubungkan dengan induktansi parasit kurang menunjukkan ciri impedans rendah ke frekuensi tinggi, sehingga mengurangkan radiasi yang dilakukan. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Kapasitor input tambahan hanya boleh dimainkan jika kapasitor tambahan diletakkan berhampiran hujung 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.

Perancangan jalan arus litar sering diabaikan, tetapi memainkan peranan penting dalam mengoptimumkan reka bentuk bekalan kuasa. 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 pembumian (termasuk pad kosong), kapasitor input dan output, kapasitor permulaan lembut, dan perintang maklum balas dalam modul semuanya harus disambungkan ke lapisan gelung pada PCB. Lapisan gelung ini boleh digunakan sebagai jalan balik dengan arus aruhan yang sangat rendah dan sebagai alat pelesapan haba yang dibincangkan di bawah.

RAJAH. 3 Skema rajah modul dan PCB sebagai impedans terma

Perintang maklum balas juga harus diletakkan sedekat mungkin dengan pin FB (maklum balas) 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.

Cadangan Reka Bentuk Haba Panas

Susun atur modul yang padat, sambil memberikan faedah elektrik, memberi kesan negatif pada reka bentuk pelesapan haba, di mana daya setara dihilangkan 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 impedans haba yang sangat rendah dari MOSFEts dalaman, yang biasanya menghasilkan sebahagian besar haba, ke PCB.

Impedans haba (θJC) dari persimpangan semikonduktor ke pakej luar peranti ini ialah 1.9 ℃ / W. Walaupun mencapai nilai θJC yang terkemuka di industri adalah ideal, nilai θJC rendah tidak masuk akal apabila impedans termal (θCA) pakej luar ke udara terlalu hebat! 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. Jadi apa yang menentukan θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Sekarang untuk melihat dengan cepat bagaimana merancang PCB sederhana tanpa sirip, gambar 3 menggambarkan modul dan PCB sebagai impedans termal. Oleh kerana impedans termal antara persimpangan dan bahagian atas pakej luar relatif tinggi berbanding dengan impedans termal dari persimpangan ke pad kosong, kita dapat mengabaikan jalan pelesapan haba θJA semasa anggaran pertama rintangan haba dari persimpangan ke udara sekitarnya (θJT).

Langkah pertama dalam reka bentuk pelesapan haba adalah menentukan jumlah daya yang akan dikeluarkan. Kuasa yang digunakan oleh modul (PD) dapat dikira dengan mudah menggunakan grafik kecekapan (η) yang diterbitkan dalam jadual data.

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.

Akhirnya, kami menggunakan perkiraan penyederhanaan pemindahan haba konvektif maksimum pada permukaan PCB (dengan sirip tembaga 1-ons yang tidak rosak dan banyak lubang pendingin di kedua-dua tingkat atas dan bawah) untuk menentukan kawasan plat yang diperlukan untuk pelesapan haba.

Penghampiran kawasan PCB yang diperlukan tidak mengambil kira peranan yang dimainkan oleh lubang pelesapan haba yang memindahkan haba dari lapisan logam atas (bungkusan disambungkan ke PCB) ke lapisan logam bawah. Lapisan bawah berfungsi sebagai lapisan permukaan kedua di mana perolakan dapat memindahkan haba dari piring. Sekurang-kurangnya 8 hingga 10 lubang penyejukan harus digunakan agar anggaran kawasan papan menjadi sah. Rintangan haba pendingin dihampirkan dengan persamaan berikut.

Pendekatan ini berlaku untuk lubang melalui tipikal berdiameter 12 mils dengan dinding sisi tembaga 0.5 oz. Sebanyak mungkin lubang pendingin boleh dirancang di seluruh kawasan di bawah pad kosong, dan lubang pendingin ini harus membentuk susunan dengan jarak 1 hingga 1.5mm.

kesimpulan

Modul kuasa SIMPLE SWITCHER menyediakan alternatif kepada reka bentuk bekalan kuasa yang kompleks dan susun atur khas PCB yang berkaitan dengan penukar DC / DC. Walaupun cabaran susun atur telah dihilangkan, beberapa pekerjaan kejuruteraan masih perlu dilakukan untuk mengoptimumkan prestasi modul dengan reka bentuk pintasan dan pelesapan haba yang baik.