Com base nas PCB layout da fonte de alimentação, este artigo apresenta o melhor método de layout de PCB, exemplos e técnicas para otimizar o desempenho do módulo de alimentação de switcher simples.

Ao planejar o layout da fonte de alimentação, a primeira consideração é a área de loop físico dos dois loops de corrente de comutação. Embora essas regiões de loop sejam amplamente invisíveis no módulo de energia, é importante entender os respectivos caminhos de corrente dos dois loops porque eles se estendem além do módulo. No circuito 1 mostrado na Figura 1, o capacitor de bypass de entrada autocondutor de corrente (Cin1) passa pelo MOSFET para o indutor interno e o capacitor de bypass de saída (CO1) durante o tempo de condução contínua do MOSFET de ponta e, finalmente, retorna para o capacitor de bypass de entrada.

Diagrama esquemático do loop no módulo de potência www.elecfans.com

Figura 1 Diagrama esquemático do loop no módulo de energia

O Loop 2 é formado durante o tempo de desligamento dos MOSFEts internos de ponta e o tempo de ativação dos MOSFEts de baixo custo. A energia armazenada no indutor interno flui através do capacitor de desvio de saída e MOSFEts de extremidade inferior antes de retornar ao GND (consulte a Figura 1). A região onde dois loops não se sobrepõem (incluindo o limite entre os loops) é a região com alta corrente DI / DT. O capacitor de bypass de entrada (Cin1) desempenha um papel fundamental no fornecimento da corrente de alta frequência ao conversor e no retorno da corrente de alta frequência ao seu caminho de origem.

O capacitor de bypass de saída (Co1) não carrega muita corrente CA, mas atua como um filtro de alta frequência para ruído de comutação. Pelas razões acima, os capacitores de entrada e saída devem ser colocados o mais próximo possível de seus respectivos pinos VIN e VOUT no módulo. Conforme mostrado na Figura 2, a indutância gerada por essas conexões pode ser minimizada tornando a fiação entre os capacitores de bypass e seus respectivos pinos VIN e VOUT o mais curta e larga possível.

Figura 2 Loop do SWITCHER SIMPLES

Minimizar a indutância em um layout de PCB tem dois benefícios principais. Primeiro, melhore o desempenho do componente promovendo a transferência de energia entre Cin1 e CO1. Isso garante que o módulo tenha um bom bypass hf, minimizando os picos de tensão indutiva devido à alta corrente DI / DT. Ele também minimiza o ruído do dispositivo e o estresse de tensão para garantir a operação normal. Em segundo lugar, minimize a EMI.

Capacitores conectados com menos indutância parasita exibem características de baixa impedância para altas frequências, reduzindo assim a radiação conduzida. Capacitores de cerâmica (X7R ou X5R) ou outros capacitores de baixo ESR são recomendados. Capacitores de entrada adicionais só podem entrar em ação se capacitores adicionais forem colocados perto das extremidades GND e VIN. O módulo de energia do SIMPLE SWITCHER é exclusivamente projetado para ter baixa radiação e EMI conduzida. No entanto, siga as diretrizes de layout de PCB descritas neste artigo para obter um desempenho superior.

O planejamento do caminho da corrente do circuito é frequentemente negligenciado, mas desempenha um papel fundamental na otimização do projeto da fonte de alimentação. Além disso, os fios de aterramento para Cin1 e CO1 devem ser encurtados e alargados o máximo possível, e os blocos nus devem ser conectados diretamente, o que é especialmente importante para conexões de aterramento do capacitor de entrada (Cin1) com grandes correntes CA.

Pinos aterrados (incluindo pads nus), capacitores de entrada e saída, capacitores de soft-start e resistores de feedback no módulo devem ser todos conectados à camada de loop no PCB. Esta camada de loop pode ser usada como um caminho de retorno com corrente de indutância extremamente baixa e como um dispositivo de dissipação de calor discutido abaixo.

FIGO. 3 Diagrama esquemático do módulo e PCB como impedância térmica

O resistor de feedback também deve ser colocado o mais próximo possível do pino FB (feedback) do módulo. Para minimizar o valor potencial de extração de ruído neste nó de alta impedância, é fundamental manter a linha entre o pino FB e a derivação do meio do resistor de feedback o mais curta possível. Os componentes de compensação disponíveis ou capacitores de alimentação devem ser colocados o mais próximo possível do resistor de realimentação superior. Por exemplo, consulte o diagrama de layout do PCB na tabela de dados do módulo relevante.

Para um layout de exemplo de LMZ14203, consulte o documento do guia de aplicação AN-2024 fornecido em www.naTIonal.com.

Sugestões de projeto de dissipação de calor

O layout compacto dos módulos, embora forneça benefícios elétricos, tem um impacto negativo no design de dissipação de calor, onde a energia equivalente é dissipada de espaços menores. Para resolver esse problema, uma única almofada grande e nua é projetada na parte traseira do pacote do módulo de energia do COMUTADOR SIMPLES e é aterrada eletricamente. O pad ajuda a fornecer impedância térmica extremamente baixa dos MOSFEts internos, que normalmente geram a maior parte do calor, para o PCB.

A impedância térmica (θJC) da junção do semicondutor ao pacote externo desses dispositivos é 1.9 ℃ / W. Embora atingir um valor θJC líder da indústria seja ideal, um valor θJC baixo não faz sentido quando a impedância térmica (θCA) do pacote externo para o ar é muito grande! Se nenhum caminho de dissipação de calor de baixa impedância for fornecido para o ar circundante, o calor se acumulará na almofada exposta e não poderá ser dissipado. Então, o que determina θCA? A resistência térmica da almofada desencapada ao ar é completamente controlada pelo design da PCB e pelo dissipador de calor associado.

Agora, para uma rápida olhada em como projetar uma placa de circuito impresso simples sem aletas, a figura 3 ilustra o módulo e a placa de circuito impresso como impedância térmica. Como a impedância térmica entre a junção e o topo do pacote externo é relativamente alta em comparação com a impedância térmica da junção para a almofada nua, podemos ignorar o caminho de dissipação de calor θJA durante a primeira estimativa da resistência térmica da junção para o ar circundante (θJT).

A primeira etapa no projeto de dissipação de calor é determinar a quantidade de energia a ser dissipada. A potência consumida pelo módulo (PD) pode ser facilmente calculada usando o gráfico de eficiência (η) publicado na tabela de dados.

Em seguida, usamos as restrições de temperatura da temperatura máxima no projeto, TAmbient, e a temperatura nominal da junção, TJuncTIon (125 ° C), para determinar a resistência térmica necessária para os módulos empacotados na PCB.

Finalmente, usamos uma aproximação simplificada da transferência de calor convectiva máxima na superfície do PCB (com aletas de cobre de 1 onça não danificadas e vários orifícios de dissipador de calor nos pisos superior e inferior) para determinar a área da placa necessária para a dissipação de calor.

A aproximação necessária da área do PCB não leva em consideração o papel desempenhado pelos orifícios de dissipação de calor que transferem calor da camada de metal superior (o pacote é conectado ao PCB) para a camada de metal inferior. A camada inferior serve como uma segunda camada de superfície através da qual a convecção pode transferir calor da placa. Devem ser usados ​​pelo menos 8 a 10 orifícios de resfriamento para que a aproximação da área da placa seja válida. A resistência térmica do dissipador de calor é aproximada pela seguinte equação.

Esta aproximação se aplica a um orifício de passagem típico de 12 mils de diâmetro com parede lateral de cobre de 0.5 oz. O maior número possível de orifícios para dissipadores de calor deve ser projetado em toda a área abaixo da almofada nua, e esses orifícios para dissipadores de calor devem formar uma matriz com espaçamento de 1 a 1.5 mm.

conclusão

O módulo de alimentação SIMPLE SWITCHER oferece uma alternativa para projetos complexos de fonte de alimentação e layouts de PCB típicos associados a conversores DC / DC. Embora os desafios de layout tenham sido eliminados, algum trabalho de engenharia ainda precisa ser feito para otimizar o desempenho do módulo com bom desvio e design de dissipação de calor.