Na podstawie PCB układ zasilania, w tym artykule przedstawiono najlepszą metodę układu PCB, przykłady i techniki optymalizacji wydajności prostego modułu zasilania przełącznika.

Planując układ zasilania, pierwszą kwestią do rozważenia jest obszar fizycznej pętli dwóch przełączających pętli prądowych. 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. W pętli 1 pokazanej na rysunku 1, prąd samoprzewodzący wejściowy kondensator bocznikujący (Cin1) przechodzi przez MOSFET do wewnętrznej cewki indukcyjnej i wyjściowego kondensatora obejściowego (CO1) podczas ciągłego czasu przewodzenia wysokiej klasy tranzystora MOSFET, a na koniec powraca do wejściowy kondensator obejściowy.

Schematic diagram of loop in the power module www.elecfans.com

Rysunek 1 Schemat ideowy pętli w module mocy

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. Energia zmagazynowana w wewnętrznej cewce indukcyjnej przepływa przez wyjściowy kondensator obejściowy i tranzystory MOSF o niskim końcu przed powrotem do GND (patrz rysunek 1). Obszar, w którym dwie pętle nie nakładają się na siebie (w tym granica między pętlami) to obszar o wysokim prądzie DI/DT. Wejściowy kondensator obejściowy (Cin1) odgrywa kluczową rolę w dostarczaniu prądu wysokiej częstotliwości do przekształtnika i zwracaniu prądu wysokiej częstotliwości do jego ścieżki źródłowej.

Wyjściowy kondensator obejściowy (Co1) nie przenosi dużego prądu przemiennego, ale działa jako filtr wysokiej częstotliwości do szumów przełączania. Z powyższych powodów kondensatory wejściowe i wyjściowe powinny być umieszczone jak najbliżej odpowiednich styków VIN i VOUT w module. Jak pokazano na rysunku 2, indukcyjność generowaną przez te połączenia można zminimalizować, czyniąc okablowanie między kondensatorami obejściowymi a ich odpowiednimi pinami VIN i VOUT tak krótkim i szerokim, jak to możliwe.

Rysunek 2 Pętla PROSTY PRZEŁĄCZNIK

Minimalizacja indukcyjności w układzie PCB ma dwie główne zalety. Po pierwsze, popraw wydajność komponentów, promując transfer energii między Cin1 i CO1. Gwarantuje to, że moduł ma dobre obejście wysokiej częstotliwości, minimalizując indukcyjne skoki napięcia spowodowane wysokim prądem DI/DT. Minimalizuje również hałas urządzenia i napięcie, aby zapewnić normalne działanie. Po drugie, zminimalizuj EMI.

Kondensatory połączone z mniejszą indukcyjnością pasożytniczą charakteryzują się niską impedancją w stosunku do wysokich częstotliwości, co zmniejsza promieniowanie przewodzone. Zalecane są kondensatory ceramiczne (X7R lub X5R) lub inne kondensatory typu o niskim ESR. Dodatkowe kondensatory wejściowe mogą wejść w grę tylko wtedy, gdy dodatkowe kondensatory zostaną umieszczone w pobliżu końcówek GND i 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.

Planowanie ścieżki prądu w obwodzie jest często zaniedbywane, ale odgrywa kluczową rolę w optymalizacji projektu zasilacza. 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.

Uziemione styki (w tym nieosłonięte pady), kondensatory wejściowe i wyjściowe, kondensatory łagodnego rozruchu i rezystory sprzężenia zwrotnego w module powinny być połączone z warstwą pętli na płytce drukowanej. Ta warstwa pętli może być wykorzystywana jako ścieżka powrotna o wyjątkowo niskim prądzie indukcyjnym oraz jako urządzenie rozpraszające ciepło omówione poniżej.

FIGA. 3 Schemat ideowy modułu i płytki drukowanej jako impedancja termiczna

Rezystor sprzężenia zwrotnego powinien być również umieszczony jak najbliżej styku FB (sprzężenie zwrotne) modułu. 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. Na przykład patrz schemat układu PCB w odpowiedniej tabeli danych modułu.

For AN example layout of LMZ14203, see the application guide document AN-2024 provided at www.naTIonal.com.

Sugestie dotyczące rozpraszania ciepła

Kompaktowy układ modułów, zapewniając jednocześnie korzyści elektryczne, ma negatywny wpływ na projekt rozpraszania ciepła, w którym równoważna moc jest rozpraszana z mniejszych pomieszczeń. 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. Podkładka pomaga zapewnić wyjątkowo niską impedancję termiczną z wewnętrznych tranzystorów MOSF, które zazwyczaj generują większość ciepła, do płytki drukowanej.

Impedancja termiczna (θJC) od złącza półprzewodnikowego do zewnętrznej obudowy tych urządzeń wynosi 1.9 ℃/W. Chociaż osiągnięcie wiodącej w branży wartości θJC jest idealne, niska wartość θJC nie ma sensu, gdy impedancja termiczna (θCA) zewnętrznego opakowania w stosunku do powietrza jest zbyt duża! Jeśli do otaczającego powietrza nie zostanie doprowadzona ścieżka rozpraszania ciepła o niskiej impedancji, ciepło będzie gromadzić się na gołej podkładce i nie może zostać rozproszone. Więc co determinuje θCA? Opór cieplny od gołej podkładki do powietrza jest całkowicie kontrolowany przez konstrukcję płytki drukowanej i powiązany z nią radiator.

Teraz, aby szybko przyjrzeć się, jak zaprojektować prostą płytkę drukowaną bez żeberek, rysunek 3 ilustruje moduł i płytkę drukowaną jako impedancję termiczną. Ponieważ impedancja termiczna między złączem a górną częścią opakowania zewnętrznego jest stosunkowo wysoka w porównaniu z impedancją termiczną od złącza do gołej podkładki, możemy zignorować ścieżkę rozpraszania ciepła θJA podczas pierwszego oszacowania oporu cieplnego od złącza do otaczającego powietrza (θJT).

Pierwszym krokiem w projektowaniu rozpraszania ciepła jest określenie ilości mocy, która ma zostać rozproszona. Moc pobieraną przez moduł (PD) można łatwo obliczyć korzystając z wykresu sprawności (η) opublikowanego w tabeli danych.

Następnie używamy ograniczeń temperaturowych maksymalnej temperatury w projekcie, Tambient i znamionowej temperatury złącza, TJuncTIon (125°C), aby określić rezystancję termiczną wymaganą dla upakowanych modułów na płytce drukowanej.

Na koniec zastosowaliśmy uproszczone przybliżenie maksymalnego konwekcyjnego transferu ciepła na powierzchni płytki drukowanej (z nieuszkodzonymi żebrami miedzianymi o masie 1 uncji i licznymi otworami na radiatory zarówno na górze, jak i na dole), aby określić obszar płyty wymagany do rozpraszania ciepła.

Wymagane przybliżenie powierzchni PCB nie uwzględnia roli otworów odprowadzających ciepło, które przenoszą ciepło z górnej warstwy metalu (pakiet jest połączony z PCB) do dolnej warstwy metalu. Dolna warstwa służy jako druga warstwa powierzchniowa, przez którą konwekcja może przenosić ciepło z płyty. Aby przybliżenie powierzchni płyty było prawidłowe, należy użyć co najmniej 8 do 10 otworów chłodzących. Opór cieplny radiatora jest przybliżony następującym równaniem.

To przybliżenie dotyczy typowego otworu przelotowego o średnicy 12 milicali z miedzianą ścianką boczną 0.5 uncji. Na całym obszarze pod nieosłoniętą podkładką należy zaprojektować jak najwięcej otworów na radiatory, a te otwory na radiatory powinny tworzyć układ w odstępach od 1 do 1.5 mm.

konkluzja

Moduł zasilania SIMPLE SWITCHER stanowi alternatywę dla złożonych projektów zasilaczy i typowych układów PCB związanych z przetwornikami DC/DC. Chociaż problemy z układem zostały wyeliminowane, nadal należy wykonać pewne prace inżynieryjne, aby zoptymalizować wydajność modułu z dobrym projektem obejścia i rozpraszania ciepła.