Diseño electrónico - El mejor método de diseño de PCB para la fuente de alimentación simple Switch

La escasez mundial de energía ha llevado a los gobiernos de todo el mundo a aplicar vigorosamente nuevas políticas de ahorro de energía. Los estándares de consumo de energía de los productos electrónicos son cada vez más estrictos. Para los ingenieros de diseño de pcb, cómo diseñar una fuente de alimentación más eficiente y de mayor rendimiento es un desafío eterno. Este artículo comienza con el diseño de los PCB de alimentación e introduce el mejor método de diseño de pcb, ejemplo y tecnología para optimizar el rendimiento de los módulos de alimentación simple switch.

Al planificar el diseño de la fuente de alimentación, lo primero que hay que considerar es el área del circuito físico de los dos circuitos de corriente del interruptor. Aunque estas áreas de circuito son básicamente invisibles en el módulo de alimentación, sigue siendo importante conocer las rutas de corriente respectivas de los dos circuitos, ya que se extenderán fuera del módulo. En el circuito 1 que se muestra en la figura 1, el capacitor de derivación de entrada autónomo de corriente (cin1) llega al inductor interno y al capacitor de derivación de salida a través del MOSFET durante el tiempo de conducción continua del MOSFET de lado alto, y finalmente regresa al capacitor de derivación de entrada.

El circuito 2 se forma durante el tiempo de corte del MOSFET de lado alto interior y el tiempo de conducción del MOSFET de lado bajo. La energía almacenada en el inductor interno fluye a través del condensadores de derivación de salida y el MOSFET de lado bajo, y finalmente regresa al gnd (como se muestra en la figura 1). Las áreas en las que los dos circuitos no se superponen entre sí (incluidos los límites entre los circuitos) son áreas de alta corriente di / dt. Los condensadores de derivación de entrada (cin1) juegan un papel clave en proporcionar corriente de alta frecuencia al convertidor y devolver la corriente de alta frecuencia a su ruta de origen.

Aunque el condensadores de derivación de salida (co1) no aporta una gran corriente de ca, actúa como un filtro de alta frecuencia para el ruido del interruptor. Por las razones anteriores, los condensadores de entrada y salida en el módulo deben estar lo más cerca posible de sus respectivos Pines vin y vout. Como se muestra en la figura 2, la inducción generada por estas conexiones se puede minimizar si los rastros entre los condensadores de derivación y sus respectivos Pines vin y vout se acortan y ensanchan lo más posible.

Minimizar la inducción en el diseño de PCB tiene dos beneficios Principales. En primer lugar, mejorar el rendimiento de los componentes promoviendo la transferencia de energía entre cin1 y co1. Esto garantizará que el módulo tenga un buen desvío de alta frecuencia y minimizará el pico de tensión de inducción generado por la Alta corriente di / dt. Al mismo tiempo, se puede minimizar el ruido del dispositivo y la tensión de voltaje para garantizar su funcionamiento normal. En segundo lugar, minimizar el emi.

Los condensadores conectados con inductores parasitarios más pequeños mostrarán características de baja resistencia a la Alta frecuencia, reduciendo así la radiación transmitida. Se recomienda el uso de condensadores cerámicos (x7r o x5r) u otros condensadores ESR Bajos. Los condensadores de entrada adicionales solo son efectivos cuando los condensadores adicionales están cerca de los terminales gnd y vin. El módulo de alimentación simple switcher está diseñado de manera única y tiene un EMI de baja radiación y conducción. Siga la Guía de diseño de PCB introducida en este artículo para lograr un mayor rendimiento.

La planificación de la ruta de la corriente del circuito a menudo se ignora, pero juega un papel clave en la optimización del diseño de la fuente de alimentación. Además, las trazas de tierra entre cin1 y co1 deben acortarse y ensancharse en la medida de lo posible y conectarse directamente a las almohadillas expuestas. Esto es especialmente importante para la conexión a tierra de condensadores de entrada (cin1) con gran corriente de ca.

Los pines de tierra del módulo (incluidas las almohadillas expuestas), los condensadores de entrada y salida, los condensadores de arranque suave y las resistencias de retroalimentación deben conectarse a la capa de anillo en el pcb. Esta capa de anillo se puede utilizar como una ruta de retorno con una corriente de inducción extremadamente baja y como un disipador de calor que se discutirá a continuación.

La resistencia de retroalimentación también debe estar lo más cerca posible del pin FB (retroalimentación) del módulo. Para minimizar la extracción potencial de ruido en este nodo de alta resistencia, es importante mantener el rastro lo más corto posible entre el pin FB y el grifo intermedio de la resistencia de retroalimentación. Los elementos de compensación o condensadores de alimentación previa disponibles deben estar lo más cerca posible de la resistencia de retroalimentación superior.

Recomendaciones de diseño térmico

Aunque el diseño compacto del módulo aporta beneficios eléctricos, también tiene un impacto negativo en el diseño de disipación de calor y la potencia equivalente debe disiparse desde un espacio más pequeño. Teniendo en cuenta este problema, se ha diseñado una gran almohadilla expuesta en la parte posterior del paquete del módulo de alimentación simple switcher, que está conectada a tierra eléctrica. La almohadilla ayuda a proporcionar una resistencia térmica extremadamente baja desde el MOSFET interior (que suele generar la mayor parte del calor) hasta el pcb.

¡Estos dispositivos tienen una resistencia térmica (jc) de 1,9 ° C / W desde la Unión de semiconductores hasta el embalaje exterior. aunque es ideal alcanzar el valor JC líder en la industria, ¡ los valores JC bajos no tienen sentido cuando la resistencia térmica (ca) del embalaje al aire es demasiado grande! Si no hay una ruta de disipación de calor de baja resistencia al aire circundante, el calor se acumulará en la almohadilla expuesta y no se disipará. ¿Entonces, ¿ qué determina exactamente el valor de ca? La resistencia térmica desde la almohadilla expuesta hasta el aire está completamente controlada por el diseño de PCB y los radiadores relacionados.

Ahora, vamos a entender rápidamente cómo hacer un diseño simple de disipación de calor de PCB sin radiadores. La figura 3 muestra el módulo y el PCB como resistencia térmica. En comparación con la resistencia térmica desde el nudo hasta la almohadilla del núcleo del tubo, debido a que la resistencia térmica entre el nudo y la parte superior del embalaje exterior es relativamente alta, podemos ignorar por primera vez la ruta de disipación de calor ja de la resistencia térmica (jt) desde el nudo hasta el aire circundante.

El primer paso en el diseño térmico es determinar la Potencia a consumir. La Potencia consumida por el módulo (pd) se puede calcular fácilmente utilizando el mapa de eficiencia (isla) publicado en la tabla de datos.

Luego utilizamos dos restricciones de temperatura, el entorno t de temperatura máxima en diseño y la función t de temperatura de unión nominal (125 ° c), para determinar la resistencia térmica necesaria para el módulo encapsulado en el pcb.

Finalmente, utilizamos la aproximación máxima simplificada de la transferencia de calor convectivo en la superficie del PCB (hay un disipador de calor de una onza de cobre intacto en la parte superior e inferior e innumerables agujeros de disipación de calor) para determinar el área de la placa necesaria para la disipación de calor.

La aproximación del área de PCB requerida no tiene en cuenta el papel del agujero de disipación de calor, que transfiere calor de la capa metálica superior (encapsulada y conectada al pcb) a la capa metálica inferior. La capa inferior se utiliza como segunda capa superficial, desde la que la convección puede transmitir calor de la placa. Para que el área aproximada de la placa sea efectiva, se deben usar al menos 8 a 10 agujeros de disipación de calor. La resistencia térmica del agujero de disipación de calor es similar al valor de la siguiente ecuación.

Esta aproximación se aplica a un agujero típico con un diámetro de 12 milímetros y una pared lateral de cobre de 0,5 onzas. Diseñar el mayor número posible de agujeros de disipación de calor en toda la zona debajo de la almohadilla expuesta y hacer que estos agujeros de disipación de calor formen una matriz con una distancia de 1 a 1,5 mm.

En resumen

El módulo de alimentación simple switcher proporciona una alternativa para un diseño de alimentación complejo y un diseño típico de PCB relacionado con el convertidor DC / DC. Aunque los problemas de diseño se han eliminado, para optimizar el rendimiento de los módulos con un buen diseño de derivación y disipación de calor, todavía hay que completar algunos trabajos de diseño de ingeniería.