Na podlagi PCB postavitev napajalnika, ta članek predstavlja najboljšo metodo postavitve tiskanega vezja, primere in tehnike za optimizacijo delovanja enostavnega stikalnega napajalnega modula.

Pri načrtovanju postavitve napajalnika je najprej treba upoštevati fizično območje zanke dveh preklopnih tokovnih zank. Čeprav so te regije zanke v napajalnem modulu večinoma nevidne, je pomembno razumeti ustrezne tokovne poti obeh zank, ker segajo čez modul. V zanki 1, prikazani na sliki 1, prehaja trenutni samoprevodni vhodni obvodni kondenzator (Cin1) skozi MOSFET do notranjega induktorja in izhodnega obvodnega kondenzatorja (CO1) med časom neprekinjene prevodnosti vrhunskega MOSFET-a in se nazadnje vrne na vhodni obvodni kondenzator.

Shematski diagram zanke v napajalnem modulu www.elecfans.com

Slika 1 Shematski diagram zanke v napajalnem modulu

Zanka 2 se oblikuje med časom izklopa notranjih vrhunskih MOSFE-jev in časom vklopa nizkocenovnih MOSFE-jev. Energija, shranjena v notranjem induktorju, teče skozi izhodni obvodni kondenzator in nizke MOSFE -je, preden se vrne v GND (glej sliko 1). Območje, kjer se dve zanki ne prekrivata (vključno z mejo med zankami), je območje z visokim tokom DI/DT. Vhodni obvodni kondenzator (Cin1) ima ključno vlogo pri dovajanju visokofrekvenčnega toka v pretvornik in vrnitvi visokofrekvenčnega toka na izvorno pot.

Izhodni obvodni kondenzator (Co1) ne prenaša veliko izmeničnega toka, vendar deluje kot visokofrekvenčni filter za preklapljanje hrupa. Zaradi zgornjih razlogov je treba vhodne in izhodne kondenzatorje postaviti čim bližje ustreznim nožicam VIN in VOUT na modulu. Kot je prikazano na sliki 2, je mogoče induktivnost, ki jo ustvarijo te povezave, zmanjšati tako, da je ožičenje med obvodnimi kondenzatorji in ustreznimi vtiči VIN in VOUT čim krajše in širše.

Slika 2 ZEMLJSTI PREKLOPNIK zanke

Zmanjšanje induktivnosti pri postavitvi PCB ima dve veliki prednosti. Najprej izboljšajte delovanje komponent s spodbujanjem prenosa energije med Cin1 in CO1. To zagotavlja, da ima modul dober hf bypass, kar zmanjšuje induktivne vrhove napetosti zaradi visokega toka DI/DT. Prav tako zmanjšuje hrup naprave in napetostni stres, da se zagotovi normalno delovanje. Drugič, zmanjšajte EMI.

Kondenzatorji, povezani z manjšo parazitsko induktivnostjo, kažejo nizke impedančne lastnosti na visoke frekvence, kar zmanjšuje prevodno sevanje. Priporočajo se keramični kondenzatorji (X7R ali X5R) ali drugi kondenzatorji z nizko ESR. Dodatni vhodni kondenzatorji lahko pridejo v poštev le, če so dodatni kondenzatorji nameščeni blizu koncev GND in VIN. Napajalni modul SIMPLE SWITCHERja je edinstveno zasnovan tako, da ima nizko sevanje in EMI. Vendar pa za doseganje višjih zmogljivosti upoštevajte smernice za postavitev tiskanih vezij, opisane v tem članku.

Načrtovanje trenutne poti vezja se pogosto zanemarja, vendar ima ključno vlogo pri optimizaciji zasnove napajanja. Poleg tega je treba ozemljitvene žice do Cin1 in CO1 čim bolj skrajšati in razširiti, gole blazinice pa neposredno priključiti, kar je še posebej pomembno za ozemljitvene priključke vhodnega kondenzatorja (Cin1) z velikimi izmeničnimi tokovi.

Ozemljeni zatiči (vključno z golimi ploščicami), vhodni in izhodni kondenzatorji, kondenzatorji z mehkim zagonom in povratni upori v modulu morajo biti povezani s plastjo zanke na tiskanem vezju. Ta plast zanke se lahko uporablja kot povratna pot z izredno nizkim induktivnim tokom in kot naprava za odvajanje toplote, opisana spodaj.

Sl. 3 Shematski diagram modula in tiskanega vezja kot toplotna impedanca

Upor za povratno zvezo je treba postaviti tudi čim bližje FB (povratnemu) zatiču modula. Da bi zmanjšali potencialno vrednost odvajanja hrupa na tem vozlišču z visoko impedanco, je ključno, da je črta med FB zatičem in srednjim dotikom povratnega upora čim krajša. Razpoložljive kompenzacijske komponente ali izhodne kondenzatorje je treba postaviti čim bližje zgornjemu uporovnemu uporu. Za primer si oglejte diagram postavitve tiskanega vezja v ustrezni tabeli s podatki o modulih.

Za primer postavitve AN LMZ14203 glejte dokument z navodili za uporabo AN-2024, ki je na voljo na www.naTIonal.com.

Predlogi oblikovanja odvajanja toplote

Kompaktna postavitev modulov, čeprav zagotavlja električne prednosti, negativno vpliva na obliko odvajanja toplote, kjer se enakovredna moč odvaja od manjših prostorov. Za odpravo te težave je na hrbtni strani paketa napajalnih modulov SIMPLE SWITCHER zasnovana ena velika gola blazinica, ki je električno ozemljena. Blazina pomaga zagotoviti izredno nizko toplotno impedanco iz notranjih MOSFE -jev, ki običajno proizvajajo večino toplote, na tiskano vezje.

Toplotna impedanca (θJC) od polprevodniškega stika do zunanjega paketa teh naprav je 1.9 ℃/W. Čeprav je doseganje vodilne vrednosti θJC v industriji idealno, je nizka vrednost θJC nesmiselna, če je toplotna impedanca (θCA) zunanje embalaže v zraku prevelika! Če zračnemu okolju ni zagotovljena nizka impedančna toplotna pot, se bo toplota nabrala na goli blazinici in je ni mogoče razpršiti. Kaj torej določa θCA? Toplotno upornost od gole blazinice do zraka v celoti nadzira zasnova PCB -ja in pripadajočega hladilnika.

Zdaj za hiter pogled na to, kako oblikovati preprosto tiskano vezje brez plavuti, slika 3 prikazuje modul in tiskano vezje kot toplotno impedanco. Ker je toplotna impedanca med stičiščem in vrhom zunanje embalaže relativno visoka v primerjavi s toplotno impedanco od stika do gole blazinice, lahko pri prvi oceni toplotne upornosti od stika do prezračimo pot toplotnega odvajanja θJA okoliškega zraka (θJT).

Prvi korak pri načrtovanju odvajanja toplote je določiti količino porabljene energije. Moč, ki jo porabi modul (PD), je mogoče enostavno izračunati z grafom učinkovitosti (η), objavljenim v podatkovni tabeli.

Nato uporabimo temperaturne omejitve največje temperature pri načrtovanju, TAmbient in nazivne temperature stičišča, TJuncTIon (125 ° C), da določimo toplotno upornost, potrebno za zapakirane module na tiskanem vezju.

Nazadnje smo uporabili poenostavljen približek največjega konvekcijskega prenosa toplote na površini tiskanega vezja (z nepoškodovanimi 1-unčnimi bakrenimi plavuti in številnimi odprtinami hladilnega telesa na zgornjem in spodnjem nadstropju), da določimo površino plošče, ki je potrebna za odvajanje toplote.

Zahtevani približek površine tiskanega vezja ne upošteva vloge odprtin za odvajanje toplote, ki prenašajo toploto iz zgornje kovinske plasti (paket je povezan s tiskano vezje) v spodnjo kovinsko plast. Spodnja plast služi kot druga površinska plast, skozi katero lahko konvekcija prenaša toploto s plošče. Za veljavnost približevanja površine plošče je treba uporabiti najmanj 8 do 10 hladilnih lukenj. Toplotna upornost hladilnega telesa je približena z naslednjo enačbo.

Ta približek velja za tipično skoznjo luknjo s premerom 12 milj z bakreno stransko steno 0.5 oz. Na celotnem območju pod golo blazinico je treba načrtovati čim več lukenj hladilnika, te odprtine za hladilnik pa morajo tvoriti niz z razmikom od 1 do 1.5 mm.

Sklenitev

Napajalni modul SIMPLE SWITCHER ponuja alternativo zapletenim napajalnikom in tipičnim postavitvam tiskanih vezij, povezanim z DC/DC pretvorniki. Čeprav so bili izzivi postavitve odpravljeni, je treba še nekaj opraviti inženirskega dela za optimizacijo delovanja modulov z dobro zasnovo obvoda in odvajanja toplote.