Leiterplatte Blog - PCB Layout Techniken zur Optimierung der Leistung von Leistungsmodulen

Ausgehend vom Layout der Stromversorgung Leiterplatte, Dieses Papier stellt die PCB Layout Methoden vor, Beispiele und Techniken zur Optimierung der Leistung des Netzteilmoduls. Bei der Planung eines Netzteillayouts, Die erste Betrachtung ist der physikalische Schleifenbereich der beiden geschalteten Stromschleifen. Obwohl diese Schleifenbereiche im Leistungsmodul weitgehend unsichtbar sind, Es ist weiterhin wichtig, die jeweiligen Strompfade der beiden Schleifen zu verstehen, da sie über das Modul hinausreichen. The current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the high-side MOSFET during the continuous on-time of the MOSFET, reaches the internal inductor and the output bypass capacitor (CO1), und kehrt zum Eingangsbypass-Kondensator zurück. während der Off-Time des internen High-Side-MOSFETs und der On-Time des Low-Side-MOSFETs gebildet. Die im internen Induktor gespeicherte Energie fließt durch den Ausgangsbypass-Kondensator und den niederseitigen MOSFET zurück zu GND. The region where the two loops do not overlap each other (including the boundary between the loops) is the high di/dt aktuelle Region. The input bypass capacitor (Cin1) plays a key role in supplying high frequency current to the converter and returning it to its source path. The output bypass capacitor (Co1) does not carry as much AC current, aber es fungiert als Hochfrequenzfilter für Schaltgeräusche. Aus den oben genannten Gründen, Die Ein- und Ausgangskondensatoren sollten so nah wie möglich an ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins am Modul platziert werden. Wie in Abbildung 2 gezeigt, Die Induktivität dieser Verbindungen kann minimiert werden, indem die Leiterbahnen zwischen den Bypass-Kondensatoren und ihren jeweiligen VIN- und VOUT-Pins so kurz und breit wie möglich gehalten werden..

Verringerung der Induktivität in der Leiterplatte Layout hat zwei große Vorteile. Durch Förderung der Energieübertragung zwischen Cin1 und CO1 zur Verbesserung der Geräteleistung. Dies stellt sicher, dass das Modul eine gute Hochfrequenz-Umgehung hat, Verringerung induktiver Spannungsspitzen von hohen Di/dt Ströme. Es reduziert auch Gerätegeräusche und Spannungsbelastung, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Zweiter, Verringerung des EWI. Der Anschluss eines Kondensators mit weniger parasitärer Induktivität weist eine niedrige Impedanz-Charakteristik für hohe Frequenzen auf, dadurch reduzierte leitungsgeleitete Strahlung. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. Das Hinzufügen weiterer Eingangskondensatoren funktioniert nur, wenn die zusätzlichen Kondensatoren in der Nähe der GND- und VIN-Anschlüsse platziert werden.. Leistungsmodule sind einzigartig konstruiert, um von Natur aus eine geringe Abstrahlung und geführte EMI zu haben, Die Einhaltung der in diesem Artikel vorgestellten PCB-Layoutrichtlinien führt zu einer höheren Leistung. Wegplanung für Schleifenströme wird oft übersehen, aber es spielt eine Schlüsselrolle bei der Optimierung von NetzteilDesigns. Darüber hinaus, Die Bodenspur zu Cin1 und CO1 sollte so weit wie möglich verkürzt und erweitert werden, und direkt mit dem freiliegenden Pad verbunden, which is especially important for the input capacitor (Cin1) ground connection with high AC current. Ground pins (including exposed pads), Ein- und Ausgangskondensatoren, Weichstartkondensatoren, Rückkopplungswiderstände im Modul sollten alle mit der Rücklaufschicht auf der Leiterplatte verbunden sein. Diese Rücklaufschicht kann als Rücklaufweg für sehr niedrigen Induktionsstrom und als Kühlkörper verwendet werden, wie unten beschrieben. The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. Zur Minimierung der möglichen Rauschubsaugung an diesem hochohmigen Knoten, Es ist wichtig, die Spur zwischen dem FB-Pin und dem Mittelanschlag des Rückkopplungswiderstandes so kurz wie möglich zu halten. Verfügbare Kompensationskomponenten oder Vorschubkondensatoren sollten so nah wie möglich an den oberen Rückkopplungswiderständen platziert werden.

Thermal Design Recommendations
While the compact layout of the module provides electrical benefits, es wirkt sich negativ auf das thermische Design aus, Ableitung einer äquivalenten Menge an Leistung auf kleinerem Raum. In diesem Sinne, Ein einziges großes freiliegendes Pad ist auf der Rückseite des Leistungsmodulpakets ausgelegt und elektrisch geerdet. This pad helps provide very low thermal impedance from the internal MOSFET (which usually generates most of the heat) to the PCB. The thermal impedance (θJC) from the semiconductor junction to the outer package of these devices is 1.9°C/W. Während das Erreichen des θJC Wertes der Branche ideal ist, low θJC values are meaningless when the thermal impedance (θCA) of the outer package to air is too great! Ohne niederohmigen Wärmeableitungspfad an die Umgebungsluft, the heat* cannot be dissipated on the exposed pad. Also, was genau den θCA Wert bestimmt? Der thermische Widerstand des exponierten Pads gegen Luft wird vollständig durch das PCB-Design und den zugehörigen Kühlkörper gesteuert. Jetzt einen schnellen Blick darauf, wie man ein einfaches thermisches PCB-Design ohne Kühlkörper durchführt, da die thermische Impedanz zwischen der Verbindung und der Oberseite des äußeren Gehäuses relativ hoch ist im Vergleich zur thermischen Impedanz von der Verbindung zum Matrizenpad, in this estimate from When considering the thermal resistance (θJT) from the junction to the surrounding air, Wir können den θJA Wärmeableitungspfad ignorieren. Der erste Schritt in der thermischen Auslegung ist die Bestimmung der abzuführenden Leistung. The power dissipated by the module (PD) can be easily calculated using the efficiency graph (η) published in the datasheet. Wir verwenden dann die beiden Temperaturbeschränkungen des Designs, TAmbient und Nennkontakttemperatur, TJunction (125°C), Bestimmung des Wärmewiderstands, der für das auf der Leiterplatte verpackte Modul erforderlich ist. We use a simplified approximation of convective heat transfer from the surface of a PCB (with undamaged one-ounce copper heat sinks and numerous thermal vias on both the top and bottom layers) to determine the board area required for heat dissipation. The required PCB area approximation does not take into account the role of thermal vias that transfer heat from the top metal layer (where the package is connected to the PCB) to the bottom metal layer. Die untere Schicht fungiert als zweite Oberflächenschicht, von der Konvektion Wärme von der Platte wegleiten kann. Für eine gültige Flächenannäherung, Verwenden Sie mindestens 8-10 Thermovias. Der thermische Widerstand der thermischen Durchkontaktierungen wird durch folgende Gleichungswerte approximiert. Diese Näherung ist für ein typisches Durchgangsloch mit einem Durchmesser von 12 mils und 0.5-oz Kupfer Seitenwände. Entwerfen Sie so viele Wärmeableitungslöcher wie möglich im gesamten Bereich unter dem freiliegenden Pad, und diese Wärmeableitungslöcher bilden eine Anordnung mit einer Tonhöhe von 1 bis 1.5mm. Leistungsmodule bieten eine Alternative zu komplexen Netzteildesigns und typischen Leiterplattenlayouts im Zusammenhang mit DC/DC-Wandler. Während die Layout-Herausforderungen beseitigt wurden, Einige technische Arbeiten müssen noch durchgeführt werden, um die Modulleistung mit gutem Bypass und thermischen Eigenschaften zu optimieren Leiterplatte design.