На основе печатная плата Схема источника питания, в этой статье представлены лучший метод компоновки печатной платы, примеры и методы для оптимизации производительности простого силового модуля коммутатора.

При планировании схемы источника питания в первую очередь следует учитывать площадь физического контура двух контуров коммутируемого тока. Хотя эти области петли в основном невидимы в силовом модуле, важно понимать соответствующие пути тока двух петель, поскольку они выходят за пределы модуля. В контуре 1, показанном на рисунке 1, ток самопроводящего входного байпасного конденсатора (Cin1) проходит через MOSFET к внутренней катушке индуктивности и выходному байпасному конденсатору (CO1) в течение времени непрерывной проводимости высокопроизводительного MOSFET и, наконец, возвращается к входной байпасный конденсатор.

Принципиальная схема шлейфа в силовом модуле www.elecfans.com

Рисунок 1 Принципиальная схема петли в силовом модуле

Петля 2 формируется в течение времени выключения внутренних высококлассных MOSFE и времени включения низкочастотных MOSFE. Энергия, накопленная во внутренней катушке индуктивности, проходит через выходной шунтирующий конденсатор и низкочастотные MOSFE, прежде чем вернуться на GND (см. Рисунок 1). Область, где две петли не перекрывают друг друга (включая границу между петлями), является областью с высоким током DI / DT. Входной шунтирующий конденсатор (Cin1) играет ключевую роль в подаче высокочастотного тока в преобразователь и возвращении высокочастотного тока на его путь источника.

Выходной шунтирующий конденсатор (Co1) не пропускает большой переменный ток, но действует как высокочастотный фильтр для шума переключения. По указанным выше причинам входные и выходные конденсаторы следует размещать как можно ближе к их соответствующим контактам VIN и VOUT на модуле. Как показано на Рисунке 2, индуктивность, создаваемая этими соединениями, можно минимизировать, сделав проводку между байпасными конденсаторами и их соответствующими выводами VIN и VOUT как можно короче и шире.

Рисунок 2 Петля SIMPLE SWITCHER

Минимизация индуктивности в компоновке печатной платы имеет два основных преимущества. Во-первых, улучшите характеристики компонентов, способствуя передаче энергии между Cin1 и CO1. Это гарантирует, что модуль имеет хороший высокочастотный байпас, сводя к минимуму пики индуктивного напряжения из-за высокого тока DI / DT. Это также минимизирует шум устройства и напряжение, необходимое для нормальной работы. Во-вторых, минимизируйте EMI.

Конденсаторы, соединенные с меньшей паразитной индуктивностью, демонстрируют характеристики низкого импеданса на высоких частотах, что снижает кондуктивное излучение. Рекомендуются керамические конденсаторы (X7R или X5R) или другие конденсаторы с низким ESR. Дополнительные входные конденсаторы могут быть задействованы только в том случае, если дополнительные конденсаторы размещены рядом с выводами GND и VIN. Модуль питания SIMPLE SWITCHER имеет уникальную конструкцию с низким уровнем излучения и кондуктивных электромагнитных помех. Однако следуйте рекомендациям по компоновке печатной платы, описанным в этой статье, для достижения более высокой производительности.

Планированием пути тока в цепи часто пренебрегают, но оно играет ключевую роль в оптимизации конструкции источника питания. Кроме того, заземляющие провода к Cin1 и CO1 должны быть как можно короче и расширены, а неизолированные контактные площадки должны быть подключены напрямую, что особенно важно для заземляющих соединений входного конденсатора (Cin1) с большими токами переменного тока.

Заземленные контакты (включая неизолированные контактные площадки), входные и выходные конденсаторы, конденсаторы плавного пуска и резисторы обратной связи в модуле должны быть подключены к слою контура на печатной плате. Этот контурный слой может использоваться как обратный путь с чрезвычайно низким током индуктивности и как устройство рассеивания тепла, обсуждаемое ниже.

ИНЖИР. 3 Принципиальная схема модуля и печатной платы как тепловое сопротивление

Резистор обратной связи также следует размещать как можно ближе к выводу FB (обратной связи) модуля. Чтобы минимизировать потенциальное значение извлечения шума в этом узле с высоким импедансом, очень важно, чтобы линия между выводом FB и средним выводом резистора обратной связи была как можно короче. Доступные компоненты компенсации или конденсаторы прямой связи следует размещать как можно ближе к верхнему резистору обратной связи. Для примера см. Схему компоновки печатной платы в соответствующей таблице данных модуля.

Пример компоновки AN LMZ14203 см. В руководстве по применению AN-2024, представленном на сайте www.naTIonal.com.

Предложения по дизайну рассеивания тепла

Компактная компоновка модулей, обеспечивая электрические преимущества, отрицательно сказывается на конструкции рассеивания тепла, где эквивалентная мощность рассеивается из меньших пространств. Для решения этой проблемы на задней стороне блока силового модуля SIMPLE SWITCHER спроектирована одна большая неизолированная площадка, которая электрически заземлена. Прокладка помогает обеспечить чрезвычайно низкий тепловой импеданс от внутренних MOSFE, которые обычно выделяют большую часть тепла, к печатной плате.

Тепловой импеданс (θJC) от перехода полупроводника к внешнему корпусу этих устройств составляет 1.9 ℃ / Вт. Хотя достижение ведущего в отрасли значения θJC является идеальным, низкое значение θJC не имеет смысла, когда тепловое сопротивление (θCA) внешнего корпуса по отношению к воздуху слишком велико! Если в окружающий воздух не предусмотрен путь отвода тепла с низким импедансом, тепло будет накапливаться на неизолированной площадке и не может быть отведено. Так что же определяет θCA? Тепловое сопротивление от неизолированной площадки к воздуху полностью контролируется конструкцией печатной платы и связанного с ней радиатора.

Теперь, чтобы быстро взглянуть на то, как спроектировать простую печатную плату без ребер, на рисунке 3 показаны модуль и печатная плата в виде теплового импеданса. Поскольку тепловой импеданс между переходом и верхней частью внешнего корпуса относительно высок по сравнению с тепловым сопротивлением от перехода к неизолированной площадке, мы можем игнорировать путь рассеивания тепла θJA во время первой оценки теплового сопротивления от перехода к окружающий воздух (θJT).

Первым шагом в проектировании рассеивания тепла является определение количества рассеиваемой мощности. Мощность, потребляемую модулем (PD), можно легко рассчитать с помощью графика эффективности (η), опубликованного в таблице данных.

Затем мы используем температурные ограничения максимальной температуры в конструкции TAmbient и номинальной температуры перехода TJuncTIon (125 ° C), чтобы определить тепловое сопротивление, необходимое для упакованных модулей на печатной плате.

Наконец, мы использовали упрощенное приближение максимальной конвективной теплопередачи на поверхности печатной платы (с неповрежденными медными ребрами весом 1 грамм и многочисленными отверстиями для радиатора как на верхнем, так и на нижнем этажах), чтобы определить площадь пластины, необходимую для отвода тепла.

Требуемая аппроксимация площади печатной платы не учитывает роль отверстий для отвода тепла, которые передают тепло от верхнего металлического слоя (корпус соединен с печатной платой) к нижнему металлическому слою. Нижний слой служит вторым поверхностным слоем, через который конвекция может передавать тепло от пластины. Необходимо использовать не менее 8-10 охлаждающих отверстий, чтобы приблизительная площадь платы была допустимой. Тепловое сопротивление радиатора приблизительно определяется следующим уравнением.

Это приближение применимо к типичному сквозному отверстию диаметром 12 мил с медной боковой стенкой 0.5 унции. На всей площади под неизолированной площадкой должно быть спроектировано как можно больше отверстий для радиатора, и эти отверстия для радиатора должны образовывать массив с интервалом от 1 до 1.5 мм.

заключение

Модуль питания SIMPLE SWITCHER представляет собой альтернативу сложной конструкции источников питания и типичным схемам печатных плат, связанных с преобразователями постоянного тока в постоянный. Несмотря на то, что проблемы компоновки были устранены, все еще необходимо проделать некоторую инженерную работу, чтобы оптимизировать производительность модуля с помощью хорошей конструкции байпаса и отвода тепла.