Na základe PCB rozloženie napájania, tento článok predstavuje najlepšiu metódu rozloženia DPS, príklady a techniky na optimalizáciu výkonu jednoduchého výkonového modulu prepínača.

Pri plánovaní rozloženia napájania je prvou úvahou oblasť fyzickej slučky dvoch slučiek spínacieho prúdu. 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. V slučke 1 zobrazenej na obrázku 1 prechádza aktuálny samonavádzací vstupný obtokový kondenzátor (Cin1) cez MOSFET do vnútorného induktora a výstupného obtokového kondenzátora (CO1) počas času nepretržitého vedenia špičkového MOSFETu a nakoniec sa vracia do vstupný obtokový kondenzátor.

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

Obrázok 1 Schematický diagram slučky v napájacom module

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 uložená vo vnútornom induktore preteká výstupným obtokovým kondenzátorom a dolnými koncami MOSFEtov pred návratom na GND (pozri obrázok 1). Oblasť, v ktorej sa dve slučky navzájom neprekrývajú (vrátane hranice medzi slučkami), je oblasť s vysokým prúdom DI/DT. Vstupný obtokový kondenzátor (Cin1) hrá kľúčovú úlohu pri dodávaní vysokofrekvenčného prúdu do meniča a pri vracaní vysokofrekvenčného prúdu do jeho zdrojovej cesty.

Výstupný bypassový kondenzátor (Co1) neprenáša veľa striedavého prúdu, ale slúži ako vysokofrekvenčný filter na prepínanie šumu. Z vyššie uvedených dôvodov by mali byť vstupné a výstupné kondenzátory umiestnené čo najbližšie k ich príslušným kolíkom VIN a VOUT na module. Ako je znázornené na obrázku 2, indukčnosť generovaná týmito pripojeniami môže byť minimalizovaná tým, že zapojenie medzi obtokovými kondenzátormi a ich príslušnými kolíkmi VIN a VOUT je čo najkratšie a najširšie.

Obrázok 2 Slučka JEDNODUCHÉHO SPÍNAČA

Minimalizácia indukčnosti v usporiadaní DPS má dve hlavné výhody. Po prvé, zlepšite výkon komponentov podporou prenosu energie medzi Cin1 a CO1. To zaisťuje, že modul má dobrý bypass VF, čím sa minimalizujú indukčné napäťové špičky v dôsledku vysokého prúdu DI/DT. Minimalizuje tiež hluk a napätie zariadenia, aby bola zaistená normálna prevádzka. Za druhé, minimalizujte EMI.

Kondenzátory zapojené s menšou parazitickou indukčnosťou vykazujú nízke impedančné charakteristiky pre vysoké frekvencie, čím znižujú vyžarované vedenie. Odporúčajú sa keramické kondenzátory (X7R alebo X5R) alebo iné kondenzátory typu low ESR. Ďalšie vstupné kondenzátory môžu prísť do hry iba vtedy, ak sú ďalšie kondenzátory umiestnené v blízkosti koncov GND a 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.

Plánovanie trasy súčasného obvodu je často zanedbávané, ale hrá kľúčovú úlohu pri optimalizácii návrhu napájacieho zdroja. 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.

Uzemnené kolíky (vrátane holých podložiek), vstupné a výstupné kondenzátory, kondenzátory s mäkkým štartom a spätné odpory v module by mali byť všetky spojené s vrstvou slučky na doske plošných spojov. Túto vrstvu slučky je možné použiť ako spätnú cestu s extrémne nízkym indukčným prúdom a ako zariadenie na rozptyl tepla, ktoré bude popísané nižšie.

Obr. 3 Schematický diagram modulu a dosky plošných spojov ako tepelnej impedancie

Spätný odpor by mal byť tiež umiestnený čo najbližšie k kolíku FB (spätná väzba) modulu. 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. Príklad nájdete v schéme rozloženia DPS v príslušnej tabuľke údajov modulu.

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

Návrhy na návrh odvodu tepla

Kompaktné usporiadanie modulov, ktoré poskytuje elektrické výhody, má negatívny vplyv na konštrukciu rozptylu tepla, kde je ekvivalentný výkon rozptýlený z menších priestorov. 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. Podložka pomáha poskytovať extrémne nízku tepelnú impedanciu z vnútorných MOSFEtov, ktoré zvyčajne generujú väčšinu tepla, na PCB.

Tepelná impedancia (θJC) od polovodičového spoja k vonkajšiemu obalu týchto zariadení je 1.9 ℃/W. Aj keď je dosiahnutie špičkovej hodnoty θJC ideálne, nízka hodnota θJC nedáva zmysel, keď je tepelná impedancia (θCA) vonkajšieho obalu do vzduchu príliš veľká! Ak nie je okolitému vzduchu poskytnutá žiadna cesta s nízkou impedanciou prenosu tepla, teplo sa bude hromadiť na holej podložke a nemôže byť odvádzané. Čo teda určuje θCA? Tepelný odpor od holého vankúša k vzduchu je úplne riadený konštrukciou DPS a súvisiacim chladičom.

Teraz sa rýchlo pozrieme na to, ako navrhnúť jednoduchú dosku plošných spojov bez rebier, obrázok 3 zobrazuje modul a dosku plošných spojov ako tepelnú impedanciu. Pretože tepelná impedancia medzi križovatkou a hornou časťou vonkajšieho obalu je relatívne vysoká v porovnaní s tepelnou impedanciou z križovatky na holú podložku, môžeme cestu prvého rozptylu tepla θJA počas prvého odhadu tepelného odporu od spojenia do okolitý vzduch (θJT).

Prvým krokom v návrhu odvádzania tepla je určenie množstva energie, ktorá sa má odvádzať. Výkon spotrebovaný modulom (PD) je možné ľahko vypočítať pomocou grafu účinnosti (η) zverejneného v tabuľke údajov.

Potom použijeme teplotné obmedzenia maximálnej teploty v návrhu TAmbient a menovitej teploty spojenia TJuncTIon (125 ° C) na stanovenie tepelného odporu potrebného pre zabalené moduly na doske plošných spojov.

Nakoniec sme použili zjednodušenú aproximáciu maximálneho konvekčného prenosu tepla na povrch PCB (s nepoškodenými 1-uncovými medenými rebrami a početnými otvormi chladiča v hornom aj dolnom poschodí) na určenie plochy dosky potrebnej na odvod tepla.

Požadovaná aproximácia oblasti DPS neberie do úvahy úlohu, ktorú zohrávajú otvory pre odvod tepla, ktoré prenášajú teplo z hornej kovovej vrstvy (obal je spojený s DPS) do spodnej kovovej vrstvy. Spodná vrstva slúži ako druhá povrchová vrstva, cez ktorú môže konvekcia prenášať teplo z dosky. Na to, aby bola platná aproximácia oblasti dosky, treba použiť najmenej 8 až 10 chladiacich otvorov. Tepelný odpor chladiča je aproximovaný nasledujúcou rovnicou.

Táto aproximácia platí pre typický priechodný otvor s priemerom 12 mils s medenou bočnou stenou 0.5 oz. V celej oblasti pod holou podložkou by malo byť navrhnutých čo najviac otvorov pre chladič a tieto otvory pre chladiče by mali tvoriť pole s rozstupom 1 až 1.5 mm.

záver

Napájací modul SIMPLE SWITCHER poskytuje alternatívu ku komplexným návrhom napájania a typickému rozloženiu DPS spojeným s meničmi DC/DC. Aj keď boli problémy s rozložením odstránené, je potrebné ešte vykonať niekoľko inžinierskych prác, aby sa optimalizoval výkon modulu s dobrým návrhom bypassu a odvádzania tepla.