Dựa vào PCB bố trí nguồn điện, bài báo này giới thiệu phương pháp bố trí PCB tốt nhất, các ví dụ và kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất của mô-đun nguồn bộ chuyển mạch đơn giản.

Khi lập kế hoạch bố trí nguồn điện, việc cân nhắc đầu tiên là diện tích vòng lặp vật lý của hai vòng dòng chuyển mạch. Mặc dù các vùng vòng lặp này phần lớn không thể nhìn thấy được trong mô-đun nguồn, nhưng điều quan trọng là phải hiểu các đường dẫn dòng điện tương ứng của hai vòng lặp vì chúng mở rộng ra ngoài mô-đun. Trong vòng lặp 1 được hiển thị trong Hình 1, tụ điện bỏ qua đầu vào tự dẫn dòng điện (Cin1) đi qua MOSFET đến cuộn cảm bên trong và tụ điện bỏ qua đầu ra (CO1) trong thời gian dẫn liên tục của MOSFET cao cấp, và cuối cùng trở về tụ điện bỏ qua đầu vào.

Sơ đồ của vòng lặp trong mô-đun nguồn www.elecfans.com

Hình 1 Sơ đồ giản đồ của vòng lặp trong mô-đun nguồn

Vòng 2 được hình thành trong thời gian tắt của MOSFE cao cấp bên trong và thời gian bật của MOSFE cấp thấp. Năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm bên trong chảy qua tụ điện bỏ qua đầu ra và MOSFEts đầu thấp trước khi quay trở lại GND (xem Hình 1). Vùng mà hai vòng lặp không chồng lên nhau (bao gồm cả ranh giới giữa các vòng lặp) là vùng có dòng DI / DT cao. Tụ điện rẽ nhánh đầu vào (Cin1) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng điện tần số cao cho bộ biến đổi và đưa dòng điện tần số cao trở lại đường nguồn của nó.

Tụ điện bỏ qua đầu ra (Co1) không mang nhiều dòng điện xoay chiều, nhưng hoạt động như một bộ lọc tần số cao để chuyển đổi nhiễu. Vì những lý do trên, các tụ điện đầu vào và đầu ra phải được đặt càng gần các chân VIN và VOUT tương ứng của chúng trên mô-đun càng tốt. Như trong Hình 2, điện cảm tạo ra bởi các kết nối này có thể được giảm thiểu bằng cách làm cho dây nối giữa các tụ điện rẽ nhánh và các chân VIN và VOUT tương ứng của chúng càng ngắn và càng rộng càng tốt.

Hình 2 Vòng lặp CHUYỂN ĐỔI ĐƠN GIẢN

Giảm thiểu điện cảm trong cách bố trí PCB có hai lợi ích chính. Đầu tiên, cải thiện hiệu suất thành phần bằng cách thúc đẩy chuyển giao năng lượng giữa Cin1 và CO1. Điều này đảm bảo rằng mô-đun có một bỏ qua hf tốt, giảm thiểu các đỉnh điện áp cảm ứng do dòng DI / DT cao. Nó cũng giảm thiểu tiếng ồn của thiết bị và ứng suất điện áp để đảm bảo hoạt động bình thường. Thứ hai, giảm thiểu EMI.

Các tụ điện được kết nối với điện cảm ít ký sinh hơn thể hiện đặc tính trở kháng thấp với tần số cao, do đó làm giảm bức xạ dẫn. Nên sử dụng tụ gốm (X7R hoặc X5R) hoặc các tụ điện loại ESR thấp khác. Các tụ điện đầu vào bổ sung chỉ có thể phát huy tác dụng nếu các tụ điện bổ sung được đặt gần các đầu GND và VIN. Mô-đun Nguồn của BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐƠN GIẢN được thiết kế độc đáo để có bức xạ thấp và dẫn điện EMI. Tuy nhiên, hãy làm theo hướng dẫn bố trí PCB được mô tả trong bài viết này để đạt được hiệu suất cao hơn.

Việc lập kế hoạch đường dẫn dòng điện của mạch thường bị bỏ qua, nhưng nó đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế cung cấp điện. Ngoài ra, dây nối đất đến Cin1 và CO1 nên được rút ngắn và mở rộng càng nhiều càng tốt, và các tấm đệm trần phải được kết nối trực tiếp, điều này đặc biệt quan trọng đối với các kết nối đất của tụ điện đầu vào (Cin1) với dòng điện xoay chiều lớn.

Các chân nối đất (bao gồm cả các tấm đệm trần), tụ điện đầu vào và đầu ra, tụ điện khởi động mềm và điện trở phản hồi trong mô-đun đều phải được kết nối với lớp vòng lặp trên PCB. Lớp vòng lặp này có thể được sử dụng như một đường trở lại với dòng điện cảm cực thấp và như một thiết bị tản nhiệt được thảo luận dưới đây.

QUẢ SUNG. 3 Sơ đồ mô-đun và PCB như trở kháng nhiệt

Điện trở phản hồi cũng nên được đặt càng gần chân FB (phản hồi) của mô-đun càng tốt. Để giảm thiểu giá trị khai thác nhiễu tiềm năng tại nút trở kháng cao này, điều quan trọng là phải giữ cho đường giữa chân FB và vòi giữa của điện trở phản hồi càng ngắn càng tốt. Các thành phần bù có sẵn hoặc tụ cấp nguồn phải được đặt càng gần điện trở phản hồi phía trên càng tốt. Để có ví dụ, hãy xem sơ đồ bố trí PCB trong bảng dữ liệu mô-đun liên quan.

Đối với bố cục ví dụ AN của LMZ14203, hãy xem tài liệu hướng dẫn ứng dụng AN-2024 được cung cấp tại www.naTIonal.com.

Gợi ý thiết kế tản nhiệt

Cách bố trí nhỏ gọn của các mô-đun, mặc dù mang lại lợi ích về điện, nhưng lại có tác động tiêu cực đến thiết kế tản nhiệt, nơi công suất tương đương bị tiêu tán từ các Không gian nhỏ hơn. Để giải quyết vấn đề này, một tấm đệm trần lớn duy nhất được thiết kế ở mặt sau của gói mô-đun Nguồn của BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐƠN GIẢN và được nối đất bằng điện. Tấm đệm này giúp cung cấp trở kháng nhiệt cực thấp từ các MOSFE bên trong, thường tạo ra hầu hết nhiệt cho PCB.

Trở kháng nhiệt (θJC) từ điểm nối bán dẫn đến gói bên ngoài của các thiết bị này là 1.9 ℃ / W. Mặc dù đạt được giá trị θJC đầu ngành là lý tưởng, nhưng giá trị θJC thấp sẽ không có ý nghĩa gì khi trở kháng nhiệt (θCA) của gói bên ngoài với không khí quá lớn! Nếu không có đường dẫn tản nhiệt trở kháng thấp ra không khí xung quanh, nhiệt sẽ tích tụ trên tấm đệm trần và không thể tản đi. Vậy điều gì quyết định θCA? Khả năng chịu nhiệt từ tấm đệm trần với không khí được kiểm soát hoàn toàn bởi thiết kế PCB và tản nhiệt đi kèm.

Bây giờ để xem nhanh cách thiết kế một PCB đơn giản không có vây, hình 3 minh họa mô-đun và PCB dưới dạng trở kháng nhiệt. Bởi vì trở kháng nhiệt giữa đường giao nhau và đỉnh của gói bên ngoài tương đối cao so với trở kháng nhiệt từ đường giao nhau đến tấm đệm trần, chúng ta có thể bỏ qua đường dẫn tản nhiệt θJA trong lần ước tính đầu tiên của điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến không khí xung quanh (θJT).

Bước đầu tiên trong thiết kế tản nhiệt là xác định lượng điện năng cần tản nhiệt. Công suất tiêu thụ của mô-đun (PD) có thể dễ dàng được tính toán bằng cách sử dụng đồ thị hiệu suất (η) được công bố trong bảng dữ liệu.

Sau đó, chúng tôi sử dụng các ràng buộc nhiệt độ của nhiệt độ tối đa trong thiết kế, TAmbient và nhiệt độ mối nối danh định, TJuncTIon (125 ° C), để xác định khả năng chịu nhiệt cần thiết cho các mô-đun đóng gói trên PCB.

Cuối cùng, chúng tôi sử dụng phương pháp ước lượng đơn giản về truyền nhiệt đối lưu tối đa trên bề mặt PCB (với các cánh tản nhiệt bằng đồng nặng 1 ounce không bị hư hại và nhiều lỗ tản nhiệt ở cả tầng trên và dưới) để xác định diện tích tấm cần tản nhiệt.

Tính gần đúng diện tích PCB yêu cầu không tính đến vai trò của các lỗ tản nhiệt giúp truyền nhiệt từ lớp kim loại trên cùng (gói được kết nối với PCB) đến lớp kim loại dưới cùng. Lớp dưới cùng đóng vai trò là lớp bề mặt thứ hai, qua đó đối lưu có thể truyền nhiệt từ tấm. Ít nhất 8 đến 10 lỗ làm mát phải được sử dụng để ước tính diện tích bảng là hợp lệ. Nhiệt trở của tản nhiệt được tính gần đúng bằng phương trình sau.

Sự xấp xỉ này áp dụng cho một lỗ xuyên điển hình có đường kính 12 mils với thành bên bằng đồng 0.5 oz. Toàn bộ khu vực bên dưới tấm đệm trần nên thiết kế nhiều lỗ tản nhiệt nhất có thể và các lỗ tản nhiệt này nên tạo thành một mảng với khoảng cách từ 1 đến 1.5mm.

phần kết luận

Mô-đun nguồn BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐƠN GIẢN cung cấp một giải pháp thay thế cho các thiết kế nguồn điện phức tạp và bố cục PCB điển hình liên quan đến bộ chuyển đổi DC / DC. Mặc dù các thách thức về bố cục đã được loại bỏ, một số công việc kỹ thuật vẫn cần được thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất mô-đun với thiết kế đường vòng và tản nhiệt tốt.