PCB-Neuigkeiten - PCB Layout Technologie für die Leistung von Leistungsmodulen

Leiterplattenlayout technology to optimize the performance of power modules
The global energy shortage problem has caused governments all over the world to vigorously implement a new energy saving policy. Die Energieverbrauchsstandards elektronischer Produkte werden immer strenger. Für Konstrukteure von Stromversorgungen, Wie man ein effizienteres und leistungsfähigeres Netzteil konstruiert, ist eine ewige Herausforderung. Ausgehend vom Layout der Stromversorgung Leiterplatte, Dieser Artikel stellt die besten Leiterplattenlayout Methoden, Beispiele und Techniken zur Leistungsoptimierung des SIMPLE SWITCHER Netzteilmoduls.

Bei der Planung des Netzteillayouts, Das erste, was zu beachten ist, ist die physikalische Schleifenfläche der beiden geschalteten Stromschleifen. Obwohl diese Schleifenbereiche im Leistungsmodul grundsätzlich unsichtbar sind, Es ist immer noch wichtig, die jeweiligen Strompfade der beiden Schleifen zu verstehen, da sie über das Modul hinausreichen.. In Schleife 1, the current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the MOSFET during the continuous on-time of the high-side MOSFET, reaches the internal inductor and output bypass capacitor (CO1), und kehrt schließlich zum 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. 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.

Der Ausgangsbypass-Kondensator (Co1) bringt keinen großen Wechselstrom, sondern fungiert 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. Werden die Leiterbahnen zwischen den Bypass-Kondensatoren und ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins so weit wie möglich verkürzt und erweitert, kann die durch diese Verbindungen erzeugte Induktivität minimiert werden.

Minimierung der Induktivität in der Leiterplattenlayout hat die folgenden zwei Hauptvorteile. Erstens, Verbesserung der Bauteilleistung durch Förderung des Energietransfers zwischen Cin1 und CO1. Dadurch wird sichergestellt, dass das Modul einen guten Hochfrequenz-Bypass hat und die induktiven Spannungsspitzen minimiert werden, die durch hohe Di-/dt Ströme. Zur gleichen Zeit, Das Geräterauschen und die Spannungsbelastung können minimiert werden, um seinen normalen Betrieb sicherzustellen. Zweiter, EMI minimieren.

Der Anschluss eines Kondensators mit weniger parasitärer Induktivität weist niedrige Impedanz auf 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 Schaltungsschicht auf der Leiterplatte verbunden sein. Diese Schleifenschicht kann als Rückweg mit extrem niedrigem Induktorstrom und als Kühlkörper verwendet werden, der nachfolgend diskutiert wird.

The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. Zur Minimierung der möglichen Rauschunterdrückung an diesem hochohmigen Knoten, Es ist wichtig, die Spur zwischen dem FB-Pin und dem mittleren Hahn des Rückkopplungswiderstandes so kurz wie möglich zu halten. Verfügbare Kompensationskomponenten oder Vorschubkondensatoren sollten so nah wie möglich am oberen Rückkopplungswiderstand platziert werden. Zum Beispiel, Bitte beachten Sie die Leiterplattenlayout Diagramm im entsprechenden Moduldatenblatt.

Empfehlungen zur thermischen Auslegung

Das kompakte Layout des Moduls bringt Vorteile im elektrischen Bereich, wirkt sich aber auch negativ auf das Design der Wärmeableitung aus. Die äquivalente Leistung wird von einem kleineren Raum abgeleitet. 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 vorgesehen ist, the heat will *cannot be dissipated on the exposed pad. 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 der maximalen Temperatur TAmbient des Designs und der Nennkontakttemperatur TJunctiON (125°C), um den erforderlichen Wärmewiderstand des Moduls zu bestimmen, das auf der Leiterplatte verpackt ist.

Schließlich verwenden wir die einfachste Näherung der konvektiven Wärmeübertragung auf der Leiterplattenoberfläche (sowohl die obere als auch die untere Schicht mit unbeschädigten Ein-Unze-Kupfer-Kühlkörpern und unzähligen Wärmeableitungslöchern), um die für die Wärmeableitung erforderliche Leiterplattenfläche zu bestimmen.

Die ungefähre Leiterplattenfläche berücksichtigt nicht die Rolle von Wärmeableitungslöchern, 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 gilt für ein typisches Durchgangsloch mit einem Durchmesser von 12 Mio und einer Kupferseite 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 related to DC/DC-Wandler. Obwohl das Layout Problem beseitigt wurde, Einige Konstruktionsarbeiten müssen noch abgeschlossen werden, um die Leistung des Moduls mit einem guten Bypass- und Wärmeableitungsdesign zu optimieren.