Elektronisches Design - Optimale PCB Layout Methode für SIMPLE SWITCHER Netzteil

Das globale Problem der Energieknappheit hat Regierungen auf der ganzen Welt veranlasst, energisch eine neue Energiesparpolitik umzusetzen. Die Energieverbrauchsstandards elektronischer Produkte werden immer strenger. Für PCB-Design Ingenieure, Wie man ein effizienteres und leistungsfähigeres Netzteil konstruiert, ist eine ewige Herausforderung. Ausgehend vom Layout der Netzteil-Leiterplatte, Dieser Artikel stellt die besten Leiterplattenlayout Methoden, Beispiele und Techniken zur Leistungsoptimierung des SIMPLE SWITCHER Netzteilmoduls.

Bei der Planung des Netzteillayouts ist zunächst der physikalische Schleifenbereich der beiden geschalteten Stromschleifen zu berücksichtigen. Obwohl diese Schleifenbereiche im Leistungsmodul grundsätzlich unsichtbar sind, ist es dennoch wichtig, die jeweiligen Strompfade der beiden Schleifen zu verstehen, da sie über das Modul hinausreichen. In der Schleife 1, die in Abbildung 1 gezeigt wird, durchläuft der aktuelle selbstleitende Eingangsbypass-Kondensator (Cin1) den MOSFET während der kontinuierlichen On-Time des hochseitigen MOSFET zum internen Induktor und Ausgangsbypass-Kondensator (CO1) und schließlich den Eingangsbypass-Kondensator zurück.

Loop 2 entsteht während der Off-Time des internen High-Side MOSFETs und der On-Time des Low-Side MOSFETs. Die im internen Induktor gespeicherte Energie fließt durch den Ausgangsbypass-Kondensator und den niederseitigen MOSFET und kehrt schließlich zu GND zurück (siehe Abbildung 1). Der Bereich, in dem sich die beiden Schleifen nicht überlappen (einschließlich der Grenze zwischen den Schleifen) ist der hohe di/dt Strombereich. Der Eingangsbypass-Kondensator (Cin1) spielt eine Schlüsselrolle bei der Bereitstellung von Hochfrequenzstrom zum Konverter und der Rückführung des Hochfrequenzstroms in seinen Quellpfad.

Obwohl der Ausgangsbypass-Kondensator (Co1) keinen großen Wechselstrom mitbringt, fungiert er als Hochfrequenzfilter für Schaltrauschen. Aus diesen Gründen sollten die Ein- und Ausgangskondensatoren am Modul möglichst nah an ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins platziert werden. Wie in Abbildung 2 gezeigt, kann die durch diese Verbindungen erzeugte Induktivität minimiert werden, wenn die Leiterbahnen zwischen den Bypass-Kondensatoren und ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins so weit wie möglich verkürzt und erweitert werden.

Die Minimierung der Induktivität im Leiterplattenlayout hat zwei große Vorteile. Zunächst verbessern Sie die Bauteilleistung, indem Sie die Energieübertragung zwischen Cin1 und CO1 fördern, um sicherzustellen, dass das Modul einen guten Hochfrequenz-Bypass hat und die induktiven Spannungsspitzen minimiert werden, die durch hohe Di/dt-Ströme erzeugt werden. Gleichzeitig können das Geräterauschen und die Spannungsbelastung minimiert werden, um seinen normalen Betrieb sicherzustellen. Zweitens, EMI minimieren.

Der Anschluss eines Kondensators mit weniger parasitärer Induktivität weist niedrige Impedanz-Eigenschaften für hohe Frequenzen auf, wodurch die geleitete Strahlung reduziert wird. Es wird empfohlen, keramische Kondensatoren (X7R oder X5R) oder andere niedrige ESR-Kondensatoren zu verwenden. Nur wenn die zusätzliche Kapazität in der Nähe der GND- und VIN-Anschlüsse platziert wird, kann die zusätzliche Eingangskapazität wirksam sein. Das SIMPLE SWITCHER Leistungsmodul ist einzigartig für geringe Strahlung und geführte EMI konzipiert. Befolgen Sie die in diesem Artikel vorgestellten PCB-Layout-Richtlinien, um eine höhere Leistung zu erzielen.

Die Wegplanung des Schleifenstroms wird oft übersehen, spielt aber eine Schlüsselrolle bei der Optimierung des Stromversorgungsdesigns. Außerdem sollten die Erdungsspuren zwischen Cin1 und CO1 so weit wie möglich verkürzt und verbreitert und direkt mit dem freiliegenden Pad verbunden werden. Dies ist besonders wichtig für den Masseanschluss des Eingangskondensators (Cin1) mit einem großen Wechselstrom.

Die geerdeten Pins (einschließlich des freiliegenden Pads), Eingangs- und Ausgangskondensatoren, Alsoftstart-Kondensatoren und Rückkopplungswiderstände im Modul sollten alle mit der Schleifenschicht auf der Leiterplatte verbunden sein. Diese Schleifenschicht kann als Rückweg mit extrem niedrigem Induktivitätsstrom und als Kühlkörper verwendet werden, der nachfolgend diskutiert wird.

Der Rückkopplungswiderstand sollte auch so nah wie möglich am FB (Feedback) Pin des Moduls platziert werden. Um die potenzielle Rauschenextraktion an diesem hochohmigen Knoten zu minimieren, ist es wichtig, die Spur zwischen dem FB-Pin und dem mittleren Gewinde des Rückkopplungswiderstandes so kurz wie möglich zu halten. Verfügbare Kompensationskomponenten oder Vorschubkondensatoren sollten so nah wie möglich am oberen Rückkopplungswiderstand platziert werden.

Empfehlungen zur thermischen Auslegung

Während das kompakte Layout des Moduls Vorteile in elektrischer Hinsicht bringt, hat es auch negative Auswirkungen auf die Wärmeableitung Design, und die äquivalente Leistung muss von einem kleineren Raum abgeleitet werden. In Anbetracht dieses Problems ist ein einziges großes freiliegendes Pad auf der Rückseite des SIMPLE SWITCHER Leistungsmoduls entworfen, das elektrisch geerdet ist. Dieses Pad trägt dazu bei, einen extrem niedrigen Wärmewiderstand vom internen MOSFET (der normalerweise die meiste Wärme erzeugt) zur Leiterplatte bereitzustellen.

The thermal impedance (θJC) from the semiconductor junction to the outer package of these devices is 1.9°C/W. Obwohl es ideal ist, um den branchenführenden θJC Wert zu erreichen, when the thermal resistance (θCA) from the package to the air is too large, ein niedriger θJC Wert ist bedeutungslos! Wenn kein niederohmiger Wärmeableitungspfad zur Umgebungsluft vorhanden ist, Die Wärme sammelt sich auf dem exponierten Pad und kann nicht abgeführt werden. So, was genau den Wert von θCA bestimmt? Der thermische Widerstand des exponierten Pads zur Luft wird vollständig durch die PCB-Design und der zugehörige Kühlkörper.

Lassen Sie uns jetzt schnell verstehen, wie man ein einfaches PCB-Wärmeableitungsdesign ohne Kühlkörper durchführt. Abbildung 3 zeigt das Modul und die Leiterplatte als thermische Impedanz. Verglichen mit dem thermischen Widerstand von der Verbindung zum Matrizenpad, da der thermische Widerstand zwischen der Verbindung und der Oberseite des äußeren Pakets relativ hoch ist, können wir den thermischen Widerstand (θJT) von der Verbindung zur Umgebungsluft zum ersten Mal ignorieren θJA Wärmeableitungspfad.

Der erste Schritt bei der thermischen Auslegung ist die Bestimmung der abzuführenden Leistung. Die vom Modul verbrauchte Leistung (PD) kann einfach anhand des im Datenblatt veröffentlichten Wirkungsgradgraphen (η) berechnet werden.

Dann verwenden wir die beiden Temperaturbeschränkungen, die höchste Temperatur TAmbient im Design und die Nennkontakttemperatur TJunction (125°C), um den erforderlichen Wärmewiderstand des Moduls zu bestimmen, das auf der Leiterplatte verpackt ist.

Endlich, Wir verwenden die größte vereinfachte Näherung der konvektiven Wärmeübertragung auf der Leiterplattenoberfläche (with undamaged one-ounce copper heat sinks and countless heat dissipation holes on both the top and bottom layers) to determine the board area required for heat dissipation.

Der ungefähre Wert der erforderlichen Leiterplattenfläche berücksichtigt nicht die Rolle, die die Wärmeableitungslöcher spielen, die Wärme von der oberen Metallschicht (das Paket ist mit der Leiterplatte verbunden) auf die untere Metallschicht übertragen. Die untere Schicht dient als zweite Oberflächenschicht, von der Konvektion die Wärme von der Platte übertragen kann. Damit die ungefähre Leiterplattenfläche wirksam ist, müssen mindestens 8 bis 10 Wärmeableitungslöcher verwendet werden. Der thermische Widerstand des Wärmeableitungslochs entspricht dem Wert der folgenden Gleichung.

Diese Näherung ist für ein typisches Durchgangsloch mit einem Durchmesser von 12 Mils und einer kupfernen Seitenwand von 0,5 Unzen. Entwerfen Sie so viele Wärmeableitungslöcher wie möglich im gesamten Bereich unter dem exponierten Pad und lassen Sie diese Wärmeableitungslöcher eine Anordnung mit einer Neigung von 1 bis 1,5 mm bilden.

Abschließend

Das SIMPLE SWITCHER Leistungsmodul bietet eine Alternative zu komplexen Netzteildesigns und typischen Leiterplattenlayouts im Zusammenhang mit DC/DC Wandlern. Obwohl das Layoutproblem beseitigt wurde, müssen einige Konstruktionsarbeiten noch abgeschlossen werden, um die Leistung des Moduls mit einem guten Bypass- und Wärmeableitungsdesign zu optimieren.