Basert på PCB layout av strømforsyning, introduserer dette papiret den beste PCB -oppsettsmetoden, eksempler og teknikker for å optimalisere ytelsen til enkel switcher -strømmodul.

Når du planlegger strømforsyningsoppsettet, er den første vurderingen det fysiske sløyfeområdet til de to koblingsstrømsløkene. Selv om disse sløyfeområdene stort sett er usynlige i effektmodulen, er det viktig å forstå de respektive strømbanene til de to løkkene fordi de strekker seg utover modulen. I sløyfe 1 vist i figur 1, passerer den nåværende selvledende inngangskontaktkondensatoren (Cin1) gjennom MOSFET til den interne induktoren og utgangs-bypass-kondensatoren (CO1) under den kontinuerlige ledningstiden til high-end MOSFET, og går til slutt tilbake til inngang bypass kondensator.

Skjematisk diagram av sløyfe i effektmodulen www.elecfans.com

Figur 1 Skjematisk diagram av sløyfe i effektmodul

Sløyfe 2 dannes under avstengningstiden for de interne high-end MOSFEts og oppstartstiden for low-end MOSFEts. Energien som er lagret i den interne induktoren strømmer gjennom utgangs -bypass -kondensatoren og low end MOSFEts før den går tilbake til GND (se figur 1). Regionen der to sløyfer ikke overlapper hverandre (inkludert grensen mellom løkkene) er regionen med høy DI/DT -strøm. Inngangs -bypass -kondensatoren (Cin1) spiller en nøkkelrolle i å levere høyfrekvent strøm til omformeren og returnere høyfrekvente strøm til sin kildebane.

Utgangs-bypass-kondensatoren (Co1) bærer ikke mye vekselstrøm, men fungerer som et høyfrekvent filter for å bytte støy. Av ovennevnte årsaker bør inngangs- og utgangskondensatorer plasseres så nært som mulig til sine respektive VIN- og VOUT -pinner på modulen. Som vist i figur 2 kan induktansen som genereres av disse tilkoblingene minimeres ved å gjøre ledningene mellom bypass -kondensatorene og deres respektive VIN- og VOUT -pinner så korte og brede som mulig.

Figur 2 SIMPLE SWITCHER loop

Minimering av induktans i en PCB -layout har to store fordeler. Forbedre først komponentytelsen ved å fremme energioverføring mellom Cin1 og CO1. Dette sikrer at modulen har en god hf -bypass, noe som minimerer induktive spenningstopper på grunn av høy DI/DT -strøm. Det minimerer også enhetsstøy og spenningsspenning for å sikre normal drift. For det andre, minimer EMI.

Kondensatorer forbundet med mindre parasittisk induktans viser lave impedansegenskaper til høye frekvenser, og reduserer dermed ledet stråling. Keramiske kondensatorer (X7R eller X5R) eller andre kondensatorer av lav ESR -type anbefales. Ekstra inngangskondensatorer kan bare spille inn hvis ytterligere kondensatorer er plassert nær GND- og VIN -enden. Strømmodulen til SIMPLE SWITCHER er unikt designet for å ha lav stråling og ledet EMI. Følg imidlertid retningslinjene for PCB -layout som er beskrevet i denne artikkelen for å oppnå høyere ytelse.

Kretsløpsplanlegging blir ofte neglisjert, men den spiller en nøkkelrolle for å optimalisere design av strømforsyning. I tillegg bør jordledninger til Cin1 og CO1 forkortes og utvides så mye som mulig, og bare pads skal kobles direkte, noe som er spesielt viktig for inngangskondensator (Cin1) jordforbindelser med store AC -strømmer.

Jordede pinner (inkludert bare pads), inngangs- og utgangskondensatorer, myke startkondensatorer og tilbakemeldingsmotstander i modulen bør alle være koblet til sløyfelaget på kretskortet. Dette sløyfelaget kan brukes som en returbane med ekstremt lav induktansstrøm og som en varmespredningsanordning diskutert nedenfor.

FIG. 3 Skjematisk diagram over modul og kretskort som termisk impedans

Tilbakemeldingsmotstanden bør også plasseres så nær FB (tilbakemelding) -nålen som mulig på modulen. For å minimere den potensielle støyuttaksverdien ved denne høye impedansnoden, er det kritisk å holde linjen mellom FB -pinnen og tilbakemeldingens motstandskran så kort som mulig. Tilgjengelige kompensasjonskomponenter eller feedforward -kondensatorer bør plasseres så nær den øvre tilbakemeldingsmotstanden som mulig. For et eksempel, se PCB -layoutdiagrammet i den relevante moduldatatabellen.

For et eksempel på oppsett av LMZ14203, se applikasjonsveiledningsdokumentet AN-2024 på www.naTIonal.com.

Forslag til varmeavledning

Den kompakte utformingen av modulene, samtidig som den gir elektriske fordeler, har en negativ innvirkning på varmeavledningsdesignet, der ekvivalent kraft forsvinner fra mindre mellomrom. For å løse dette problemet, er en enkelt, stor, ren pute designet på baksiden av Power -modulpakken til SIMPLE SWITCHER og er elektrisk jordet. Puten bidrar til å gi ekstremt lav termisk impedans fra de interne MOSFEts, som vanligvis genererer mesteparten av varmen, til PCB.

Den termiske impedansen (θJC) fra halvlederforbindelsen til den ytre pakken til disse enhetene er 1.9 ℃/W. Selv om det er ideelt å oppnå en bransjeledende θJC-verdi, gir en lav θJC-verdi ingen mening når den termiske impedansen (θCA) av den ytre pakken til luften er for stor! Hvis det ikke er tilveiebragt en lavimpedans varmespredningsbane til den omkringliggende luften, vil varmen samle seg på den blotte puten og kan ikke forsvinne. Så hva bestemmer θCA? Den termiske motstanden fra bar pute til luft styres fullstendig av PCB -designet og tilhørende kjøleribbe.

Nå for en rask titt på hvordan du designer et enkelt kretskort uten finner, illustrerer figur 3 modulen og kretskortet som termisk impedans. Fordi den termiske impedansen mellom krysset og toppen av den ytre emballasjen er relativt høy i forhold til den termiske impedansen fra krysset til den blotte puten, kan vi ignorere θJA varmeavledningsbanen under det første estimatet av termisk motstand fra krysset til luften rundt (θJT).

Det første trinnet i varmeavledningsdesign er å bestemme mengden strøm som skal spres. Strømforbruket fra modulen (PD) kan enkelt beregnes ved hjelp av effektivitetsgrafen (η) som er publisert i datatabellen.

Vi bruker deretter temperaturbegrensningene til maksimumstemperaturen i designet, TAmbient, og den nominelle kryssstemperaturen, TJuncTIon (125 ° C), for å bestemme den termiske motstanden som kreves for de pakkede modulene på kretskortet.

Til slutt brukte vi en forenklet tilnærming til maksimal konvektiv varmeoverføring på PCB-overflaten (med uskadede 1-unse kobberfinner og mange kjøleribbehull på både topp- og bunngulv) for å bestemme plateområdet som kreves for varmespredning.

Den nødvendige tilnærmingen til PCB -området tar ikke hensyn til rollen som varmespredningshull spiller som overfører varme fra det øverste metallaget (pakken er koblet til PCB) til det nedre metallaget. Bunnlaget fungerer som et andre overflatelag gjennom hvilket konveksjon kan overføre varme fra platen. Minst 8 til 10 kjølehull bør brukes for at tilnærmingen til brettområdet skal være gyldig. Varmeavlederens termiske motstand tilnærmes av følgende ligning.

Denne tilnærmingen gjelder et typisk gjennomgående hull på 12 mils diameter med 0.5 oz kobber sidevegg. Så mange kjøleribber som mulig bør utformes i hele området under den blanke puten, og disse kjøleribbehullene bør danne en matrise med et mellomrom på 1 til 1.5 mm.

konklusjon

SIMPLE SWITCHER -strømmodulen gir et alternativ til komplekse strømforsyningsdesigner og typiske PCB -oppsett knyttet til DC/DC -omformere. Selv om layoututfordringer er eliminert, må det fortsatt gjøres noe ingeniørarbeid for å optimalisere modulens ytelse med god bypass og varmeavledningsdesign.