อยู่บนพื้นฐานของ PCB เค้าโครงของแหล่งจ่ายไฟ บทความนี้แนะนำวิธีการเค้าโครง PCB ตัวอย่างและเทคนิคที่ดีที่สุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโมดูลพลังงานสลับอย่างง่าย

เมื่อวางแผนเลย์เอาต์ของพาวเวอร์ซัพพลาย สิ่งแรกที่ต้องคำนึงถึงคือพื้นที่ลูปฟิสิคัลของลูปกระแสสลับสองลูป 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. ในลูป 1 ที่แสดงในรูปที่ 1 ตัวเก็บประจุบายพาสอินพุตแบบนำตัวเองในปัจจุบัน (Cin1) ผ่าน MOSFET ไปยังตัวเหนี่ยวนำภายในและตัวเก็บประจุบายพาสเอาต์พุต (CO1) ในช่วงเวลาการนำต่อเนื่องของ MOSFET ระดับไฮเอนด์ และสุดท้ายจะกลับสู่ ตัวเก็บประจุบายพาสอินพุต

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

รูปที่ 1 แผนผังของลูปในโมดูลพลังงาน

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. พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำภายในจะไหลผ่านตัวเก็บประจุบายพาสเอาต์พุตและ MOSFets ระดับล่างก่อนจะกลับสู่ GND (ดูรูปที่ 1) บริเวณที่ลูปสองวงไม่ทับซ้อนกัน (รวมถึงขอบเขตระหว่างลูป) คือบริเวณที่มีกระแส DI/DT สูง ตัวเก็บประจุบายพาสอินพุท (Cin1) มีบทบาทสำคัญในการจ่ายกระแสความถี่สูงให้กับคอนเวอร์เตอร์และส่งคืนกระแสความถี่สูงไปยังพาธต้นทาง

ตัวเก็บประจุบายพาสเอาต์พุต (Co1) ไม่มีกระแสไฟ AC มากนัก แต่ทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่สูงสำหรับการสลับสัญญาณรบกวน ด้วยเหตุผลข้างต้น ควรวางตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตไว้ใกล้กับพิน VIN และ VOUT บนโมดูลให้มากที่สุด ดังแสดงในรูปที่ 2 การเหนี่ยวนำที่เกิดจากการเชื่อมต่อเหล่านี้สามารถลดขนาดได้โดยทำให้การเดินสายระหว่างตัวเก็บประจุบายพาสกับพิน VIN และ VOUT ตามลำดับให้สั้นและกว้างที่สุด

รูปที่ 2 SIMPLE SWITCHER loop

การลดค่าความเหนี่ยวนำในเค้าโครง PCB มีประโยชน์หลักสองประการ ขั้นแรก ปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนประกอบโดยส่งเสริมการถ่ายเทพลังงานระหว่าง Cin1 และ CO1 เพื่อให้แน่ใจว่าโมดูลมีบายพาส hf ที่ดี ช่วยลดยอดแรงดันไฟฟ้าอุปนัยให้น้อยที่สุดเนื่องจากกระแส DI/DT สูง นอกจากนี้ยังลดเสียงรบกวนของอุปกรณ์และความเค้นของแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานปกติ ประการที่สอง ลด EMI

ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำปรสิตน้อยกว่าจะมีลักษณะอิมพีแดนซ์ต่ำถึงความถี่สูง ซึ่งจะช่วยลดการแผ่รังสีที่ดำเนินการ ขอแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิก (X7R หรือ X5R) หรือตัวเก็บประจุชนิด ESR ต่ำอื่นๆ ตัวเก็บประจุอินพุตเพิ่มเติมสามารถเข้ามาเล่นได้ก็ต่อเมื่อวางตัวเก็บประจุเพิ่มเติมไว้ใกล้กับจุดสิ้นสุดของ GND และ 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.

การวางแผนเส้นทางกระแสไฟมักจะถูกละเลย แต่มีบทบาทสำคัญในการปรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟให้เหมาะสม 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.

หมุดต่อสายดิน (รวมถึงแผ่นรองเปล่า) ตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต ตัวเก็บประจุแบบซอฟต์สตาร์ท และตัวต้านทานป้อนกลับในโมดูลควรเชื่อมต่อกับเลเยอร์ลูปบน PCB เลเยอร์ลูปนี้สามารถใช้เป็นเส้นทางกลับโดยมีกระแสเหนี่ยวนำต่ำมากและเป็นอุปกรณ์กระจายความร้อนที่กล่าวถึงด้านล่าง

รูปที่. 3 แผนผังของโมดูลและ PCB เป็นความต้านทานความร้อน

ควรวางตัวต้านทานป้อนกลับให้ใกล้กับพิน FB (คำติชม) ของโมดูลมากที่สุด 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.

คำแนะนำการออกแบบการกระจายความร้อน

เลย์เอาต์ที่กะทัดรัดของโมดูลในขณะที่ให้ประโยชน์ทางไฟฟ้า มีผลกระทบในทางลบต่อการออกแบบการกระจายความร้อน ซึ่งพลังงานที่เท่ากันจะกระจายออกจาก Spaces ที่มีขนาดเล็กกว่า 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. แผ่นรองช่วยให้มีความต้านทานความร้อนต่ำมากจาก MOSFets ภายใน ซึ่งโดยทั่วไปจะสร้างความร้อนส่วนใหญ่ไปยัง PCB

ความต้านทานความร้อน (θJC) จากจุดต่อสารกึ่งตัวนำไปยังบรรจุภัณฑ์ภายนอกของอุปกรณ์เหล่านี้คือ 1.9 ℃/W ในขณะที่การบรรลุค่า θJC ชั้นนำของอุตสาหกรรมนั้นเป็นสิ่งที่เหมาะ ค่า θJC ที่ต่ำไม่สมเหตุสมผลเมื่อค่าความต้านทานความร้อน (θCA) ของบรรจุภัณฑ์ด้านนอกสู่อากาศมากเกินไป! หากไม่มีเส้นทางการกระจายความร้อนอิมพีแดนซ์ต่ำไปยังอากาศรอบข้าง ความร้อนจะสะสมบนแผ่นรองเปล่าและไม่สามารถกระจายออกไปได้ แล้วอะไรเป็นตัวกำหนด θCA? การต้านทานความร้อนจากแผ่นเปล่าสู่อากาศถูกควบคุมโดยการออกแบบ PCB และแผ่นระบายความร้อนที่เกี่ยวข้องอย่างสมบูรณ์

มาดูวิธีออกแบบ PCB แบบง่ายโดยไม่มีครีบอย่างรวดเร็ว รูปที่ 3 แสดงโมดูลและ PCB เป็นความต้านทานความร้อน เนื่องจากความต้านทานความร้อนระหว่างหัวต่อกับส่วนบนของบรรจุภัณฑ์ภายนอกค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับความต้านทานความร้อนจากจุดต่อไปยังแผ่นเปลือย เราจึงสามารถละเว้นเส้นทางการกระจายความร้อน θJA ได้ในระหว่างการประมาณค่าความต้านทานความร้อนครั้งแรกจากทางแยกไปยัง อากาศโดยรอบ (θJT)

ขั้นตอนแรกในการออกแบบการกระจายความร้อนคือการกำหนดปริมาณพลังงานที่จะกระจาย พลังงานที่ใช้โดยโมดูล (PD) สามารถคำนวณได้อย่างง่ายดายโดยใช้กราฟประสิทธิภาพ (η) ที่เผยแพร่ในตารางข้อมูล

จากนั้น เราใช้ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิของอุณหภูมิสูงสุดในการออกแบบ TAmbient และอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อที่กำหนด TJuncTIon(125 ° C) เพื่อกำหนดความต้านทานความร้อนที่จำเป็นสำหรับโมดูลที่บรรจุบน PCB

สุดท้าย เราใช้การประมาณค่าการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนสูงสุดบนพื้นผิว PCB อย่างง่าย (ด้วยครีบทองแดงขนาด 1 ออนซ์ที่ไม่เสียหายและรูระบายความร้อนจำนวนมากที่ชั้นบนและด้านล่าง) เพื่อกำหนดพื้นที่เพลตที่จำเป็นสำหรับการกระจายความร้อน

การประมาณพื้นที่ PCB ที่ต้องการไม่ได้คำนึงถึงบทบาทของรูระบายความร้อนที่ถ่ายเทความร้อนจากชั้นโลหะด้านบน (แพ็คเกจเชื่อมต่อกับ PCB) ไปยังชั้นโลหะด้านล่าง ชั้นล่างทำหน้าที่เป็นชั้นพื้นผิวที่สองซึ่งการพาความร้อนสามารถถ่ายเทความร้อนจากจานได้ ควรใช้รูระบายความร้อนอย่างน้อย 8 ถึง 10 รูเพื่อให้การประมาณพื้นที่บอร์ดถูกต้อง ค่าความต้านทานความร้อนของตัวระบายความร้อนถูกประมาณโดยสมการต่อไปนี้

การประมาณนี้ใช้กับรูเจาะทั่วไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม. พร้อมแก้มทองแดง 0.5 ออนซ์ ควรออกแบบรูระบายความร้อนให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในพื้นที่ทั้งหมดด้านล่างแผ่นเปล่า และรูระบายความร้อนเหล่านี้ควรจัดเป็นอาร์เรย์ที่มีระยะห่าง 1 ถึง 1.5 มม.

ข้อสรุป

โมดูลพลังงาน SIMPLE SWITCHER เป็นทางเลือกแทนการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ซับซ้อนและเค้าโครง PCB ทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับตัวแปลง DC/DC แม้ว่าปัญหาด้านเลย์เอาต์จะหมดไป แต่งานวิศวกรรมบางงานยังคงต้องทำเพื่อปรับประสิทธิภาพของโมดูลให้เหมาะสมด้วยการออกแบบบายพาสและการกระจายความร้อนที่ดี