L'actualité PCB - Technologie de mise en page PCB pour la performance du module d'alimentation

Technologie de mise en page de PCB pour optimiser les performances des modules d'alimentation le problème mondial de la pénurie 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. Pour les ingénieurs en conception de puissance, comment concevoir une alimentation plus efficace et plus performante est un défi permanent. 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, en commençant par la mise en page des cartes d'alimentation.

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, un condensateur de dérivation d'entrée (CIN1) d'auto - conduction de courant traverse le MOSFET pendant les temps de conduction successifs du MOSFET Côté haut, atteint l'inductance interne et le condensateur de dérivation de sortie 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. 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.

Le condensateur de dérivation de sortie (co1) n'apporte pas de courant alternatif important, mais 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. 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.

Minimiser l'inductance dans une disposition de PCB présente les deux principaux avantages suivants. 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 circuit sur le PCB. Cette couche de boucle peut être utilisée comme chemin de retour à très faible courant d'inductance et comme 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. Par exemple, reportez - vous au schéma de disposition du PCB donné dans la fiche technique du module concerné.

Recommandations de conception thermique

La disposition compacte des modules apporte des avantages en termes de champs électriques, mais a également un impact négatif sur la conception de la dissipation thermique. La puissance équivalente est dissipée à partir d'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 résistance thermique extrêmement faible 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! Si aucun chemin de dissipation de chaleur à faible impédance n'est fourni à l'air ambiant, la chaleur * ne peut pas être dissipée sur les Plots exposés. 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 les deux contraintes de température, la température maximale de conception tambient et la température de jonction nominale tjunction (125 ° c), pour déterminer la résistance thermique requise du module encapsulé sur le PCB.

Enfin, nous avons utilisé l'approximation la plus simplifiée du transfert de chaleur par convection de la surface du PCB (avec des radiateurs en cuivre d'une once intacts 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.

La surface approximative requise du PCB ne tient pas compte du rôle des 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.