Gebaseerd op de PCB lay-out van de voeding, dit document introduceert de beste PCB-layoutmethode, voorbeelden en technieken om de prestaties van een eenvoudige switcher-voedingsmodule te optimaliseren.

Bij het plannen van de lay-out van de voeding is de eerste overweging het fysieke lusgebied van de twee schakelstroomlussen. Hoewel deze lusgebieden grotendeels onzichtbaar zijn in de voedingsmodule, is het belangrijk om de respectieve stroompaden van de twee lussen te begrijpen, omdat ze zich buiten de module uitstrekken. In lus 1 getoond in figuur 1 gaat de huidige zelfgeleidende ingangsbypasscondensator (Cin1) door de MOSFET naar de interne inductor en uitgangsbypasscondensator (CO1) tijdens de continue geleidingstijd van de high-end MOSFET, en keert uiteindelijk terug naar de ingangsbypasscondensator.

Schematisch diagram van lus in de voedingsmodule www.elecfans.com

Figuur 1 Schematisch diagram van lus in voedingsmodule

Loop 2 wordt gevormd tijdens de uitschakeltijd van de interne high-end MOSFEts en de inschakeltijd van de low-end MOSFEts. De energie die is opgeslagen in de interne inductor stroomt door de uitgangsbypasscondensator en low-end MOSFEts voordat deze terugkeert naar GND (zie afbeelding 1). Het gebied waar twee lussen elkaar niet overlappen (inclusief de grens tussen lussen) is het gebied met een hoge DI/DT-stroom. De ingangsbypasscondensator (Cin1) speelt een sleutelrol bij het leveren van de hoogfrequente stroom aan de omzetter en het terugbrengen van de hoogfrequente stroom naar het bronpad.

De uitgangsbypasscondensator (Co1) voert niet veel wisselstroom, maar fungeert als een hoogfrequent filter voor schakelruis. Om de bovenstaande redenen moeten ingangs- en uitgangscondensatoren zo dicht mogelijk bij hun respectievelijke VIN- en VOUT-pinnen op de module worden geplaatst. Zoals weergegeven in afbeelding 2, kan de inductantie die door deze verbindingen wordt gegenereerd, worden geminimaliseerd door de bedrading tussen de bypass-condensatoren en hun respectievelijke VIN- en VOUT-pinnen zo kort en breed mogelijk te maken.

Afbeelding 2 SIMPLE SWITCHER-lus

Het minimaliseren van inductantie in een PCB-lay-out heeft twee grote voordelen. Verbeter eerst de prestaties van de componenten door de energieoverdracht tussen Cin1 en CO1 te bevorderen. Dit zorgt ervoor dat de module een goede hf-bypass heeft, waardoor inductieve spanningspieken als gevolg van hoge DI/DT-stroom worden geminimaliseerd. Het minimaliseert ook apparaatruis en spanningsstress om een ​​normale werking te garanderen. Ten tweede, minimaliseer EMI.

Condensatoren verbonden met minder parasitaire inductantie vertonen lage impedantie-eigenschappen voor hoge frequenties, waardoor de geleide straling wordt verminderd. Keramische condensatoren (X7R of X5R) of andere condensatoren van het lage ESR-type worden aanbevolen. Extra ingangscondensatoren kunnen alleen een rol spelen als er extra condensatoren in de buurt van de GND- en VIN-uiteinden worden geplaatst. De voedingsmodule van de SIMPLE SWITCHER is uniek ontworpen om een ​​lage stralings- en geleide EMI te hebben. Volg echter de PCB-layoutrichtlijnen die in dit artikel worden beschreven om betere prestaties te bereiken.

Het plannen van stroompaden wordt vaak verwaarloosd, maar het speelt een sleutelrol bij het optimaliseren van het ontwerp van de voeding. Bovendien moeten de aardingsdraden naar Cin1 en CO1 zo veel mogelijk worden ingekort en verbreed en moeten kale pads rechtstreeks worden aangesloten, wat vooral belangrijk is voor aardingsaansluitingen van ingangscondensatoren (Cin1) met grote wisselstromen.

Geaarde pinnen (inclusief kale pads), ingangs- en uitgangscondensatoren, softstartcondensatoren en feedbackweerstanden in de module moeten allemaal worden aangesloten op de luslaag op de printplaat. Deze luslaag kan worden gebruikt als een retourpad met extreem lage inductantiestroom en als een warmteafvoerapparaat dat hieronder wordt besproken.

Afb. 3 Schematisch diagram van module en PCB als thermische impedantie

De feedbackweerstand moet ook zo dicht mogelijk bij de FB(feedback)-pin van de module worden geplaatst. Om de potentiële ruisextractiewaarde bij dit knooppunt met hoge impedantie te minimaliseren, is het van cruciaal belang om de lijn tussen de FB-pin en de middelste aftakking van de feedbackweerstand zo kort mogelijk te houden. Beschikbare compensatiecomponenten of feedforward-condensatoren moeten zo dicht mogelijk bij de bovenste feedbackweerstand worden geplaatst. Zie voor een voorbeeld het PCB-layoutdiagram in de betreffende modulegegevenstabel.

Voor een voorbeeldlay-out van LMZ14203, zie het applicatiegidsdocument AN-2024 op www.naTIonal.com.

Ontwerpsuggesties voor warmteafvoer:

De compacte lay-out van de modules biedt weliswaar elektrische voordelen, maar heeft een negatieve invloed op het ontwerp van de warmteafvoer, waarbij equivalent vermogen wordt afgevoerd uit kleinere ruimtes. Om dit probleem aan te pakken, is een enkele grote kale pad ontworpen op de achterkant van het voedingsmodulepakket van de EENVOUDIGE SCHAKELAAR en is deze elektrisch geaard. De pad zorgt voor een extreem lage thermische impedantie van de interne MOSFEts, die doorgaans de meeste warmte genereren, naar de PCB.

De thermische impedantie (θJC) van de halfgeleiderovergang naar de buitenverpakking van deze apparaten is 1.9 /W. Terwijl het bereiken van een toonaangevende θJC-waarde ideaal is, heeft een lage θJC-waarde geen zin wanneer de thermische impedantie (θCA) van de buitenverpakking naar de lucht te groot is! Als er geen warmtedissipatiepad met lage impedantie naar de omgevingslucht wordt voorzien, zal de warmte zich ophopen op het kale kussen en kan deze niet worden afgevoerd. Dus wat bepaalt θCA? De thermische weerstand van kale pad naar lucht wordt volledig gecontroleerd door het PCB-ontwerp en het bijbehorende koellichaam.

Voor een snelle blik op het ontwerpen van een eenvoudige PCB zonder vinnen, illustreert figuur 3 de module en PCB als thermische impedantie. Omdat de thermische impedantie tussen de junctie en de bovenkant van de buitenverpakking relatief hoog is in vergelijking met de thermische impedantie van de junctie naar de kale pad, kunnen we het θJA-warmtedissipatiepad negeren tijdens de eerste schatting van de thermische weerstand van de junctie naar de omringende lucht (θJT).

De eerste stap in het ontwerp van warmteafvoer is het bepalen van de hoeveelheid te dissiperen vermogen. Het door de module verbruikte vermogen (PD) kan eenvoudig worden berekend met behulp van de efficiëntiegrafiek (η) die in de gegevenstabel is gepubliceerd.

Vervolgens gebruiken we de temperatuurbeperkingen van de maximale temperatuur in het ontwerp, TAmbient, en de nominale junctietemperatuur, TJuncTIon(125 ° C), om de thermische weerstand te bepalen die nodig is voor de verpakte modules op de PCB.

Ten slotte hebben we een vereenvoudigde benadering gebruikt van de maximale convectieve warmteoverdracht op het PCB-oppervlak (met onbeschadigde 1-ounce koperen vinnen en talrijke gaten in het koellichaam op zowel de bovenste als onderste verdiepingen) om het plaatoppervlak te bepalen dat nodig is voor warmteafvoer.

De vereiste benadering van het PCB-oppervlak houdt geen rekening met de rol van warmteafvoergaten die warmte van de bovenste metaallaag (de verpakking is verbonden met de PCB) naar de onderste metaallaag overbrengen. De onderste laag dient als een tweede oppervlaktelaag waardoor convectie warmte van de plaat kan overbrengen. Er moeten ten minste 8 tot 10 koelgaten worden gebruikt om de benadering van het bordoppervlak geldig te maken. De thermische weerstand van het koellichaam wordt benaderd door de volgende vergelijking.

Deze benadering is van toepassing op een typisch doorgaand gat van 12 mils diameter met 0.5 oz koperen zijwand. Er moeten zoveel mogelijk gaten in het koellichaam worden ontworpen in het hele gebied onder het kale kussen, en deze gaten in het koellichaam moeten een reeks vormen met een tussenruimte van 1 tot 1.5 mm.

conclusie

De SIMPLE SWITCHER-voedingsmodule biedt een alternatief voor complexe voedingsontwerpen en typische PCB-lay-outs die worden geassocieerd met DC/DC-converters. Hoewel de lay-outproblemen zijn geëlimineerd, moet er nog wat technisch werk worden gedaan om de prestaties van de module te optimaliseren met een goed ontwerp voor bypass en warmteafvoer.