Bazat pe PCB aspectul sursei de alimentare, această lucrare introduce cea mai bună metodă de dispunere a PCB-urilor, exemple și tehnici pentru a optimiza performanța modulului simplu de alimentare al comutatorului.

Când planificați aspectul sursei de alimentare, prima considerație este zona buclei fizice a celor două bucle de curent de comutare. Deși aceste regiuni de buclă sunt în mare parte invizibile în modulul de alimentare, este important să înțelegem căile curente respective ale celor două bucle, deoarece se extind dincolo de modul. În bucla 1 prezentată în Figura 1, condensatorul de by-pass de intrare curent (Cin1) trece prin MOSFET către inductorul intern și condensatorul de by-pass de ieșire (CO1) în timpul timpului de conducere continuă al MOSFET-ului high-end și în cele din urmă revine la condensatorul de bypass de intrare.

Schema schematică a buclei în modulul de putere www.elecfans.com

Figura 1 Schema schematică a buclei în modulul de alimentare

Bucla 2 se formează în timpul timpului de oprire a MOSFE-urilor interne high-end și a timpului de pornire al MOSFE-urilor low-end. Energia stocată în inductorul intern curge prin condensatorul de bypass de ieșire și MOSFE-urile de nivel inferior înainte de a reveni la GND (vezi Figura 1). Regiunea în care două bucle nu se suprapun (inclusiv limita dintre bucle) este regiunea cu curent DI / DT mare. Condensatorul de bypass de intrare (Cin1) joacă un rol cheie în furnizarea curentului de înaltă frecvență convertorului și întoarcerea curentului de înaltă frecvență în calea sursei sale.

Condensatorul de bypass de ieșire (Co1) nu transportă mult curent alternativ, dar acționează ca un filtru de înaltă frecvență pentru zgomotul de comutare. Din motivele de mai sus, condensatoarele de intrare și ieșire ar trebui să fie așezate cât mai aproape posibil de pinii lor VIN și VOUT de pe modul. Așa cum se arată în Figura 2, inductanța generată de aceste conexiuni poate fi redusă la minimum prin cablarea dintre condensatorii de bypass și pinii lor VIN și VOUT respectivi cât mai scurți și largi posibil.

Figura 2 Bucla SIMPLE SWITCHER

Minimizarea inductanței într-un aspect PCB are două beneficii majore. În primul rând, îmbunătățiți performanța componentelor prin promovarea transferului de energie între Cin1 și CO1. Acest lucru asigură că modulul are un bypass hf bun, minimizând vârfurile de tensiune inductivă datorate curentului DI / DT mare. De asemenea, minimizează zgomotul dispozitivului și tensiunea de tensiune pentru a asigura funcționarea normală. În al doilea rând, minimizați EMI.

Condensatoarele conectate cu inductanță parazitară mai mică prezintă caracteristici de impedanță scăzute la frecvențe ridicate, reducând astfel radiația condusă. Se recomandă condensatori ceramici (X7R sau X5R) sau alți condensatori de tip ESR scăzut. Condensatorii suplimentari de intrare pot intra în joc numai dacă sunt amplasați condensatori suplimentari lângă capetele GND și VIN. Modulul de alimentare al SIMPLE SWITCHER este proiectat unic pentru a avea radiații reduse și EMI condus. Cu toate acestea, urmați instrucțiunile de aspect PCB descrise în acest articol pentru a obține performanțe mai mari.

Planificarea traseului curentului de circuit este adesea neglijată, dar joacă un rol cheie în optimizarea proiectării sursei de alimentare. În plus, firele de masă la Cin1 și CO1 ar trebui scurtate și lărgite cât mai mult posibil, iar tampoanele goale ar trebui conectate direct, ceea ce este deosebit de important pentru conexiunile de masă ale condensatorului de intrare (Cin1) cu curenți mari de curent alternativ.

Pinii împământați (inclusiv tampoanele goale), condensatoarele de intrare și ieșire, condensatoarele de pornire soft și rezistențele de feedback din modul ar trebui să fie toate conectate la stratul de buclă de pe PCB. Acest strat de buclă poate fi folosit ca o cale de întoarcere cu un curent de inductanță extrem de scăzut și ca un dispozitiv de disipare a căldurii discutat mai jos.

FIG. 3 Schema schemei modulului și PCB ca impedanță termică

Rezistorul de feedback trebuie plasat, de asemenea, cât mai aproape posibil de pinul FB (feedback) al modulului. Pentru a minimiza valoarea potențială de extracție a zgomotului la acest nod cu impedanță ridicată, este esențial să păstrați linia dintre pinul FB și robinetul central al rezistorului de feedback cât mai scurt posibil. Componentele de compensare disponibile sau condensatoarele de avans ar trebui să fie așezate cât mai aproape de rezistorul de feedback superior. Pentru un exemplu, consultați schema de aspect PCB în tabelul de date al modulului relevant.

Pentru un exemplu de aspect al LMZ14203, consultați documentul de ghidare a aplicației AN-2024 furnizat la www.naTIonal.com.

Sugestii de proiectare a disipării căldurii

Aspectul compact al modulelor, oferind în același timp beneficii electrice, are un impact negativ asupra proiectării disipării căldurii, unde puterea echivalentă este disipată din spații mai mici. Pentru a rezolva această problemă, un singur tampon gol mare este proiectat pe partea din spate a pachetului modulului de alimentare al SIMPLE SWITCHER și este împământat electric. Tamponul ajută la asigurarea impedanței termice extrem de scăzute de la MOSFE-urile interne, care generează de obicei cea mai mare parte a căldurii, către PCB.

Impedanța termică (θJC) de la joncțiunea semiconductoare la pachetul exterior al acestor dispozitive este de 1.9 ℃ / W. În timp ce obținerea unei valori θJC lider în industrie este ideală, o valoare θJC scăzută nu are sens atunci când impedanța termică (θCA) a pachetului exterior către aer este prea mare! Dacă nu este prevăzută o cale de disipare a căldurii cu impedanță mică în aerul înconjurător, căldura se va acumula pe tamponul gol și nu poate fi disipată. Deci, ce determină θCA? Rezistența termică de la tamponul gol la aer este complet controlată de designul PCB și de radiatorul asociat.

Acum, pentru o privire rapidă despre cum să proiectați un PCB simplu fără aripioare, figura 3 ilustrează modulul și PCB-ul ca impedanță termică. Deoarece impedanța termică dintre joncțiune și partea superioară a ambalajului exterior este relativ mare în comparație cu impedanța termică de la joncțiune la tamponul gol, putem ignora calea de disipare a căldurii θJA în timpul primei estimări a rezistenței termice de la joncțiune la aerul din jur (θJT).

Primul pas în proiectarea disipării căldurii este determinarea cantității de energie care trebuie disipată. Puterea consumată de modul (PD) poate fi ușor calculată utilizând graficul de eficiență (η) publicat în tabelul de date.

Apoi folosim constrângerile de temperatură ale temperaturii maxime în proiectare, TAmbient, și temperatura nominală a joncțiunii, TJuncTIon (125 ° C), pentru a determina rezistența termică necesară pentru modulele ambalate pe PCB.

În cele din urmă, am folosit o aproximare simplificată a transferului maxim de căldură convectivă pe suprafața PCB (cu aripioare de cupru de 1 uncie nedeteriorate și numeroase găuri pentru radiator atât pe etajele superioare, cât și pe cele inferioare) pentru a determina aria plăcii necesară disipării căldurii.

Aproximarea necesară a zonei PCB nu ia în considerare rolul jucat de găurile de disipare a căldurii care transferă căldura din stratul superior de metal (pachetul este conectat la PCB) în stratul de metal inferior. Stratul inferior servește ca al doilea strat de suprafață prin care convecția poate transfera căldura de pe placă. Trebuie utilizate cel puțin 8-10 găuri de răcire pentru ca aproximarea suprafeței plăcii să fie valabilă. Rezistența termică a radiatorului este aproximată prin următoarea ecuație.

Această aproximare se aplică unui orificiu tipic de 12 mils cu perete lateral de cupru de 0.5 oz. Cât mai multe găuri de radiator ar trebui să fie proiectate în întreaga zonă de sub tamponul gol, iar aceste găuri de radiator ar trebui să formeze o matrice cu o distanță de 1 până la 1.5 mm.

concluzie

Modulul de alimentare SIMPLE SWITCHER oferă o alternativă la proiectările complexe de alimentare cu energie și la aspectele tipice ale PCB asociate convertoarelor DC / DC. În timp ce provocările de amenajare au fost eliminate, mai trebuie făcute unele lucrări de inginerie pentru a optimiza performanța modulului cu un design bun de bypass și disipare a căldurii.