Baserat på PCB layout av strömförsörjning, introducerar detta dokument den bästa PCB -layoutmetoden, exempel och tekniker för att optimera prestandan för enkel switcher -effektmodul.

När du planerar strömförsörjningens layout är det första övervägandet det fysiska slingområdet för de två kopplingsströmslingorna. 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. I slinga 1 som visas i figur 1 passerar den nuvarande självledande ingångskopplingskondensatorn (Cin1) genom MOSFET till den interna induktorn och utgående förbikopplingskondensatorn (CO1) under den kontinuerliga ledningstiden för high-end MOSFET och återgår slutligen till ingångsbypass -kondensatorn.

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

Figure 1 Schematic diagram of loop in power 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. Energin som lagras i den interna induktorn strömmar genom utgående förbikopplingskondensator och låga MOSFEts innan den återvänder till GND (se figur 1). The region where two loops do not overlap each other (including the boundary between loops) is the region with high DI/DT current. Ingångskopplingskondensatorn (Cin1) spelar en nyckelroll när det gäller att leverera högfrekvensströmmen till omvandlaren och återföra högfrekvensströmmen till dess källväg.

Den utgående förbikopplingskondensatorn (Co1) bär inte mycket växelström men fungerar som ett högfrekvent filter för att byta brus. Av ovanstående skäl bör ingångs- och utgångskondensatorer placeras så nära sina respektive VIN- och VOUT -stift på modulen som möjligt. Som visas i figur 2 kan induktansen som genereras av dessa anslutningar minimeras genom att göra ledningarna mellan förbikopplingskondensatorerna och deras respektive VIN- och VOUT -stift så korta och breda som möjligt.

Figur 2 SIMPLE SWITCHER loop

Minimering av induktans i en PCB -layout har två stora fördelar. För det första, förbättra komponentens prestanda genom att främja energiöverföring mellan Cin1 och CO1. Detta säkerställer att modulen har en bra hf -bypass, vilket minimerar induktiva spänningstoppar på grund av hög DI/DT -ström. Det minimerar också enhetsbrus och spänningsspänning för att säkerställa normal drift. För det andra minimera EMI.

Kondensatorer anslutna med mindre parasitisk induktans uppvisar låga impedansegenskaper för höga frekvenser, vilket reducerar ledad strålning. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Ytterligare ingångskondensatorer kan bara spela in om ytterligare kondensatorer placeras nära GND- och VIN -ändarna. 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.

Kretsloppsplanering försummas ofta, men det spelar en nyckelroll för att optimera strömförsörjningsdesignen. 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.

Jordade stift (inklusive nakna kuddar), ingångs- och utgångskondensatorer, mjukstartskondensatorer och återkopplingsmotstånd i modulen bör alla anslutas till kretslagret på kretskortet. Detta slinglager kan användas som en returväg med extremt låg induktansström och som en värmeavledningsanordning som diskuteras nedan.

FIKON. 3 Schematiskt diagram över modul och kretskort som termisk impedans

Återkopplingsmotståndet bör också placeras så nära modulens FB (feedback) stift som möjligt. 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. For an example, see the PCB layout diagram in the relevant module data table.

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

Värmedissipationsdesignförslag

Modulernas kompakta layout, samtidigt som den ger elektriska fördelar, har en negativ inverkan på värmeavledningsdesignen, där ekvivalent effekt försvinner från mindre utrymmen. 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. Kudden hjälper till att ge extremt låg termisk impedans från de interna MOSFEtsna, som vanligtvis genererar det mesta av värmen, till kretskortet.

Den termiska impedansen (θJC) från halvledarkopplingen till det yttre förpackningen på dessa enheter är 1.9 ℃/W. Även om det är idealiskt att uppnå ett branschledande θJC-värde, är ett lågt θJC-värde ingen mening när den yttre förpackningens termiska impedans (θCA) är för stor! Om ingen värmeavledningsbana med låg impedans tillhandahålls till den omgivande luften, kommer värmen att ackumuleras på den bara dynan och kan inte släppas ut. Så vad avgör θCA? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Nu för en snabb titt på hur man utformar ett enkelt kretskort utan fenor, illustrerar figur 3 modulen och kretskortet som termisk impedans. Eftersom den termiska impedansen mellan korsningen och toppen av den yttre förpackningen är relativt hög jämfört med den termiska impedansen från korsningen till den bara dynan, kan vi ignorera θJA värmeavledningsbanan under den första uppskattningen av det termiska motståndet från korsningen till omgivande luft (θJT).

Det första steget i värmeavledningsdesign är att bestämma mängden effekt som ska släppas ut. Effekten som förbrukas av modulen (PD) kan enkelt beräknas med hjälp av effektivitetsdiagrammet (η) som publiceras i datatabellen.

We then use the temperature constraints of the maximum temperature in the design, TAmbient, and the rated junction temperature, TJuncTIon(125 ° C), to determine the thermal resistance required for the packaged modules on the PCB.

Slutligen använde vi en förenklad approximation av den maximala konvektiva värmeöverföringen på PCB-ytan (med oskadade 1-uns kopparfenor och många kylflänshål på både de övre och nedre våningarna) för att bestämma plattytan som krävs för värmeavledning.

Den nödvändiga approximationen av PCB -området tar inte hänsyn till den roll som värmeavledningshål spelar som överför värme från det övre metallskiktet (paketet är anslutet till PCB) till det nedre metallskiktet. Bottenskiktet fungerar som ett andra ytskikt genom vilket konvektion kan överföra värme från plattan. Minst 8 till 10 kylhål bör användas för att approximationen av brädområdet ska vara giltig. Kylflänsens termiska motstånd approximeras av följande ekvation.

Denna approximation gäller ett typiskt genomgående hål med 12 mils diameter med 0.5 oz kopparsidovägg. Så många kylflänshål som möjligt bör utformas i hela området under den rena dynan, och dessa kylflänshål bör bilda en uppsättning med ett avstånd på 1 till 1.5 mm.

slutsats

SIMPLE SWITCHER -effektmodulen ger ett alternativ till komplexa strömförsörjningsdesigner och typiska PCB -layouter som är associerade med DC/DC -omvandlare. Även om layoututmaningarna har eliminerats, måste det fortfarande göras en del ingenjörsarbete för att optimera modulens prestanda med bra bypass- och värmeavledningsdesign.