Conception électronique - La meilleure méthode de mise en page de PCB pour les alimentations simple switch

La pénurie mondiale d'énergie a incité les gouvernements du monde entier à mettre en œuvre vigoureusement de nouvelles politiques d'économie d'énergie. Les normes de consommation d'énergie pour l'électronique sont de plus en plus strictes. Comment concevoir une alimentation plus efficace et plus performante est un défi permanent pour les ingénieurs en conception de PCB. Cet article présente les meilleures méthodes, exemples et techniques de mise en page de PCB pour l'optimisation des performances des modules d'alimentation simple Switch.

La première chose à considérer lors de la planification de la disposition de l'alimentation est la zone de boucle physique des deux boucles de courant de commutation. Bien que ces zones de boucle soient sensiblement invisibles dans le module d'alimentation, il reste important de connaître les trajets de courant respectifs des deux boucles puisqu'elles s'étendront au - delà du module. Dans la boucle 1 représentée sur la figure 1, un condensateur de dérivation d'entrée (CIN1) d'auto - conduction de courant traverse le MOSFET pour atteindre l'inductance interne et le condensateur de dérivation de sortie pendant les temps de conduction successifs du MOSFET Côté haut, et retourne finalement au condensateur de dérivation d'entrée.

La boucle 2 est formée pendant le temps de coupure du MOSFET intérieur Côté haut et le temps de conduction du MOSFET intérieur côté bas. L'énergie stockée dans l'inductance interne circule à travers le condensateur de dérivation de sortie et le MOSFET côté bas pour finalement revenir au GNd (comme représenté sur la figure 1). La zone dans laquelle les deux boucles ne se chevauchent pas (y compris la frontière entre les boucles) est une zone de courant di / DT élevé. Le condensateur de dérivation d'entrée (CIN1) joue un rôle clé dans l'alimentation du convertisseur en courant haute fréquence et le retour du courant haute fréquence sur son chemin de source.

Bien que le condensateur de dérivation de sortie (co1) n'apporte pas de courant alternatif important, il peut servir de filtre haute fréquence pour le bruit de commutation. Pour les raisons susmentionnées, les condensateurs d'entrée et de sortie du module doivent être placés aussi près que possible de leurs broches vin et vout respectives. Comme représenté sur la figure 2, l'inductance générée par ces connexions peut être minimisée si les traces entre les condensateurs de dérivation et leurs broches vin et vout respectives sont raccourcies et élargies au maximum.

Il y a deux avantages principaux à minimiser l'inductance dans la disposition de PCB. Tout d'abord, les performances du composant sont améliorées en facilitant le transfert d'énergie entre CIN1 et co1. Cela garantira un bon contournement haute fréquence du module et minimisera les pics de tension induits générés par des courants di / DT élevés. Dans le même temps, le bruit du dispositif et les contraintes de tension peuvent être minimisés pour assurer son bon fonctionnement. Deuxièmement, minimiser l'EMI.

La connexion d'un condensateur avec moins d'inductance parasite présentera des propriétés de faible impédance aux hautes fréquences, réduisant ainsi le rayonnement de conduction. Un condensateur en céramique (x7r ou x5r) ou un autre condensateur à faible ESR est recommandé. La capacité d'entrée supplémentaire ne peut être efficace que si elle est proche des bornes GNd et vin. Les modules d'alimentation simple Switcher ont été conçus de manière unique avec un EMI à faible rayonnement et à conduction. Suivez le Guide de mise en page de PCB présenté dans cet article pour de meilleures performances.

La planification du trajet du courant de boucle est souvent négligée, mais elle joue un rôle clé dans l'optimisation de la conception de l'alimentation. En outre, les traces de terre entre CIN1 et co1 doivent être raccourcies et élargies autant que possible et connectées directement aux Plots exposés. Ceci est particulièrement important pour la connexion à la masse d'un condensateur d'entrée (CIN1) à courant alternatif important.

Les broches de masse du module (y compris les Plots exposés), les condensateurs d'entrée et de sortie, les condensateurs de démarrage en douceur et les résistances de rétroaction doivent tous être connectés à la couche de boucle sur le PCB. Cette couche de boucle peut servir de chemin de retour avec un courant inductif très faible et peut servir de dissipateur thermique comme on le verra plus loin.

La résistance de rétroaction doit également être placée aussi près que possible de la broche FB (Feedback) du module. Pour minimiser l'extraction potentielle de bruit sur ce noeud à haute impédance, il est important de garder la trace entre la broche FB et la prise intermédiaire de la résistance de contre - réaction aussi courte que possible. L'élément de compensation ou le condensateur d'alimentation avant disponible doit être placé le plus près possible de la résistance de contre - réaction supérieure.

Recommandations de conception thermique

Bien que la disposition compacte des modules présente des avantages en termes électriques, elle a également un impact négatif sur la conception de la dissipation thermique et la puissance équivalente doit être dissipée dans un espace plus petit. Dans cet esprit, un grand Plot exposé séparé a été conçu à l'arrière du boîtier du module d'alimentation simple Switcher, qui est relié électriquement à la masse. Ce plot aide à fournir une très faible résistance thermique du MOSFET interne (qui produit généralement la majeure partie de la chaleur) au PCB.

Ces dispositifs ont une impédance thermique (JC) de 1,9 ° C / W de la jonction semi - conductrice au boîtier externe. Bien qu'il soit idéal d'atteindre une valeur JC de pointe, une valeur JC faible n'a pas de sens lorsque la résistance thermique (CA) du boîtier à l'air est trop élevée! Sans un chemin de dissipation de chaleur à faible impédance vers l'air environnant, la chaleur s'accumulera sur les Plots exposés et ne pourra pas être dissipée. Alors, qu'est - ce qui détermine la valeur d'un ca? La résistance thermique des plots exposés à l'air est entièrement contrôlée par la conception du PCB et les radiateurs associés.

Maintenant, voyons rapidement comment faire une conception simple de dissipation de chaleur PCB sans radiateur. La figure 3 montre le module et le PCB comme impédance thermique. Par rapport à la résistance thermique de la jonction au plot de noyau, nous pouvons ignorer pour la première fois la résistance thermique (JT) de la jonction à l'air ambiant en raison de la résistance thermique relativement élevée entre la jonction et le haut du boîtier externe.

La première étape de la conception thermique consiste à déterminer la puissance à consommer. La puissance consommée par le module (PD) peut être facilement calculée à l'aide du diagramme d'efficacité (îlot) publié dans la fiche technique.

Nous avons ensuite utilisé deux contraintes de température, la température maximale tambient dans la conception et la température de jonction nominale t fonction (125 ° c), pour déterminer la résistance thermique requise pour le module encapsulé sur le PCB.

Enfin, nous avons utilisé une approximation simplifiée maximale du transfert de chaleur par convection de la surface du PCB (avec un dissipateur de chaleur en cuivre d'une once intact et d'innombrables trous de dissipation de chaleur sur les couches supérieure et inférieure) pour déterminer la surface de la plaque nécessaire pour dissiper la chaleur.

L'approximation de la surface requise du PCB ne tient pas compte du rôle joué par les trous Dissipateurs de chaleur qui transfèrent la chaleur de la couche métallique supérieure (le boîtier est connecté au PCB) à la couche métallique inférieure. La Sous - couche sert de deuxième couche superficielle à partir de laquelle la convection peut transférer la chaleur de la plaque. Pour que la surface approximative de la plaque soit efficace, au moins 8 à 10 trous de dissipation de chaleur doivent être utilisés. La résistance thermique d'un trou dissipateur de chaleur se rapproche de la valeur de l'équation suivante.

Cette approximation s'applique à un trou traversant typique de 12 mils de diamètre avec une paroi latérale en cuivre de 0,5 once. Concevez autant de trous de dissipation de chaleur que possible dans toute la zone sous les Plots exposés et faites en sorte que ces trous de dissipation de chaleur forment un réseau espacé de 1 à 1,5 mm.

Conclusion

Le module d'alimentation simple Switcher offre une alternative aux conceptions d'alimentation complexes et aux configurations de circuits imprimés typiques associées aux convertisseurs DC / DC. Bien que les problèmes d'agencement aient été éliminés, certains travaux d'ingénierie doivent encore être effectués afin d'optimiser les performances des modules avec une bonne conception de dérivation et de dissipation thermique.