Göre PCB güç kaynağının yerleşim düzenini açıklayan bu makale, basit anahtarlayıcı güç modülünün performansını optimize etmek için en iyi PCB yerleşim yöntemini, örneklerini ve tekniklerini tanıtmaktadır.

Güç kaynağı düzenini planlarken, ilk dikkate alınması gereken iki anahtarlama akımı döngüsünün fiziksel döngü alanıdır. 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. Şekil 1’de gösterilen döngü 1’de, mevcut kendi kendine iletken giriş baypas kapasitörü (Cin1), üst uç MOSFET’in sürekli iletim süresi boyunca MOSFET’ten dahili indüktöre ve çıkış baypas kondansatörüne (CO1) geçer ve son olarak geri döner. giriş baypas kondansatörü.

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

Şekil 1 Güç modülündeki devrenin şematik diyagramı

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. Dahili indüktörde depolanan enerji, GND’ye dönmeden önce çıkış bypass kapasitöründen ve alt uç MOSFEt’lerden akar (bkz. Şekil 1). İki döngünün üst üste gelmediği bölge (döngüler arasındaki sınır dahil) yüksek DI/DT akımına sahip bölgedir. Giriş bypass kapasitörü (Cin1), dönüştürücüye yüksek frekanslı akımı sağlamada ve yüksek frekanslı akımı kaynak yoluna geri döndürmede önemli bir rol oynar.

Çıkış baypas kapasitörü (Co1) fazla AC akımı taşımaz, ancak anahtarlama gürültüsü için yüksek frekanslı bir filtre görevi görür. Yukarıdaki nedenlerden dolayı, giriş ve çıkış kapasitörleri, modül üzerindeki ilgili VIN ve VOUT pinlerine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Şekil 2’de gösterildiği gibi, bu bağlantılar tarafından üretilen endüktans, baypas kapasitörleri ile bunların ilgili VIN ve VOUT pinleri arasındaki kablolamayı mümkün olduğunca kısa ve geniş yaparak en aza indirilebilir.

Şekil 2 BASİT SWITCHER döngüsü

Bir PCB düzeninde endüktansı en aza indirmenin iki ana faydası vardır. İlk olarak, Cin1 ve CO1 arasındaki enerji transferini teşvik ederek bileşen performansını iyileştirin. Bu, yüksek DI/DT akımı nedeniyle endüktif voltaj tepelerini en aza indirerek modülün iyi bir hf baypasına sahip olmasını sağlar. Ayrıca normal çalışmayı sağlamak için cihaz gürültüsünü ve voltaj stresini en aza indirir. İkincisi, EMI’yi en aza indirin.

Daha az parazit endüktans ile bağlanan kapasitörler, yüksek frekanslara düşük empedans özellikleri sergiler, böylece iletilen radyasyonu azaltır. Seramik kapasitörler (X7R veya X5R) veya diğer düşük ESR tipi kapasitörler önerilir. Ek giriş kapasitörleri, yalnızca GND ve VIN uçlarına ek kapasitörler yerleştirilirse devreye girebilir. 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.

Devre akımı yolu planlaması genellikle ihmal edilir, ancak güç kaynağı tasarımını optimize etmede önemli bir rol oynar. 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.

Modüldeki topraklanmış pimler (çıplak pedler dahil), giriş ve çıkış kapasitörleri, yumuşak başlatma kapasitörleri ve geri besleme dirençlerinin tümü PCB üzerindeki döngü katmanına bağlanmalıdır. Bu döngü katmanı, son derece düşük endüktans akımına sahip bir dönüş yolu olarak ve aşağıda tartışılan bir ısı dağıtma cihazı olarak kullanılabilir.

İNCİR. 3 Termal empedans olarak modülün ve PCB’nin şematik diyagramı

Geri besleme direnci de modülün FB(geri besleme) pinine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. 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.

Isı Yayılımı Tasarım Önerileri

Modüllerin kompakt yerleşimi, elektriksel faydalar sağlarken, eşdeğer gücün daha küçük Alanlardan dağıtıldığı ısı dağıtım tasarımı üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. 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. Ped, tipik olarak ısının çoğunu üreten dahili MOSFEt’lerden PCB’ye son derece düşük termal empedans sağlamaya yardımcı olur.

Bu cihazların yarı iletken bağlantısından dış paketine kadar termal empedans (θJC) 1.9℃/W’dir. Endüstri lideri bir θJC değerine ulaşmak ideal olsa da, dış paketin havaya olan termal empedansı (θCA) çok büyük olduğunda düşük bir θJC değeri hiçbir anlam ifade etmez! Çevreleyen havaya düşük empedanslı ısı yayma yolu sağlanmazsa, ısı çıplak ped üzerinde birikir ve dağıtılamaz. Peki θCA’yı ne belirler? The thermal resistance from bare pad to air is completely controlled by the PCB design and associated heat sink.

Şimdi kanatsız basit bir PCB’nin nasıl tasarlanacağına hızlı bir bakış için, şekil 3 modülü ve PCB’yi termal empedans olarak göstermektedir. Bağlantı noktası ile dış paketin üstü arasındaki termal empedans, bağlantı noktasından çıplak pedin termal empedansına kıyasla nispeten yüksek olduğundan, bağlantı noktasından ısıl direncin ilk tahmini sırasında θJA ısı yayılım yolunu göz ardı edebiliriz. çevreleyen hava (θJT).

Isı dağılımı tasarımındaki ilk adım, dağıtılacak güç miktarını belirlemektir. Modülün tükettiği güç (PD), veri tablosunda yayınlanan verimlilik grafiği (η) kullanılarak kolaylıkla hesaplanabilir.

Daha sonra, PCB üzerindeki paketlenmiş modüller için gereken termal direnci belirlemek için tasarımdaki maksimum sıcaklığın, TAmbient’in ve nominal bağlantı sıcaklığının, TJuncTIon(125 ° C) sıcaklık kısıtlamalarını kullanırız.

Son olarak, ısı dağılımı için gerekli plaka alanını belirlemek için PCB yüzeyindeki maksimum konvektif ısı transferinin basitleştirilmiş bir yaklaşımını kullandık (hasarsız 1 onsluk bakır kanatlar ve hem üst hem de alt katlarda çok sayıda ısı emici deliği ile).

Gerekli PCB alanı yaklaşımı, ısıyı üst metal katmandan (paket PCB’ye bağlıdır) alt metal katmana aktaran ısı dağıtma deliklerinin oynadığı rolü hesaba katmaz. Alt tabaka, konveksiyonun plakadan ısı transfer edebildiği ikinci bir yüzey tabakası görevi görür. Pano alanı yaklaşımının geçerli olması için en az 8 ila 10 soğutma deliği kullanılmalıdır. Soğutucunun termal direnci aşağıdaki denklemle yaklaşık olarak hesaplanır.

Bu yaklaşım, 12 oz bakır yan duvarlı 0.5 mil çapında tipik bir açık delik için geçerlidir. Çıplak pedin altındaki tüm alanda mümkün olduğunca çok sayıda ısı emici deliği tasarlanmalı ve bu ısı emici delikler 1 ila 1.5 mm aralıklı bir dizi oluşturmalıdır.

sonuç

SIMPLE SWITCHER güç modülü, karmaşık güç kaynağı tasarımlarına ve DC/DC dönüştürücülerle ilişkili tipik PCB düzenlerine bir alternatif sunar. Yerleşim zorlukları ortadan kaldırılmış olsa da, modül performansını iyi baypas ve ısı dağılımı tasarımı ile optimize etmek için bazı mühendislik çalışmalarının yapılması gerekiyor.