Progettazione PCB - Metodo di layout PCB ottimale per l'alimentazione SIMPLE SWITCHER

Il problema della carenza energetica globale ha indotto i governi di tutto il mondo ad attuare vigorosamente una nuova politica di risparmio energetico. Gli standard di consumo energetico dei prodotti elettronici stanno diventando sempre più severi. Per gli ingegneri di progettazione PCB, come progettare un alimentatore ad alta efficienza e prestazioni più elevate è una sfida eterna. Partendo dal layout del PCB di alimentazione, questo articolo introduce i migliori metodi di layout PCB, esempi e tecniche per ottimizzare le prestazioni del modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER.

Quando si pianifica il layout dell'alimentazione elettrica, la prima cosa da considerare è l'area del ciclo fisico dei due cicli di corrente commutati. Sebbene queste aree di loop siano praticamente invisibili nel modulo di alimentazione, è comunque importante comprendere i rispettivi percorsi correnti dei due loop perché si estenderanno oltre il modulo. Nel loop 1 mostrato nella Figura 1, il condensatore di bypass in ingresso autoproducente corrente (Cin1) passa attraverso il MOSFET durante il tempo continuo del MOSFET lato alto all'induttore interno e al condensatore di bypass in uscita (CO1), e infine restituisce il condensatore di bypass in ingresso.

Il loop 2 si forma durante l'off-time del MOSFET interno high-side e l'on-time del MOSFET basso-side. L'energia accumulata nell'induttore interno scorre attraverso il condensatore di bypass in uscita e il MOSFET basso lato, e infine ritorna a GND (come mostrato in Figura 1). L'area in cui i due cicli non si sovrappongono (compreso il confine tra i cicli) è l'area corrente di alto di/dt. Il condensatore bypass in ingresso (Cin1) svolge un ruolo chiave nel fornire corrente ad alta frequenza al convertitore e nel restituire la corrente ad alta frequenza al suo percorso sorgente.

Anche se il condensatore bypass in uscita (Co1) non porta una grande corrente CA, agisce come un filtro ad alta frequenza per il rumore di commutazione. Alla luce delle ragioni di cui sopra, i condensatori di ingresso e uscita sul modulo devono essere posizionati il più vicino possibile ai rispettivi perni VIN e VOUT. Come mostrato nella Figura 2, se le tracce tra i condensatori bypass e i rispettivi perni VIN e VOUT vengono accorciate e allargate il più possibile, l'induttanza generata da queste connessioni può essere minimizzata.

Ridurre al minimo l'induttanza nel layout PCB ha due vantaggi principali. In primo luogo, migliorare le prestazioni dei componenti promuovendo il trasferimento di energia tra Cin1 e CO1. Ciò assicurerà che il modulo abbia un buon bypass ad alta frequenza e minimizzerà i picchi di tensione induttivi generati da alte correnti di/dt. Allo stesso tempo, il rumore del dispositivo e lo stress di tensione possono essere ridotti al minimo per garantire il suo normale funzionamento. Secondo, minimizza l'EMI.

Collegare un condensatore con meno induttanza parassitaria mostrerà caratteristiche di bassa impedenza per le alte frequenze, riducendo così la radiazione condotta. Si consiglia di utilizzare condensatori ceramici (X7R o X5R) o altri condensatori ESR bassi. Solo quando la capacità extra è posizionata vicino ai terminali GND e VIN, la capacità aggiuntiva di ingresso può essere efficace. Il modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER è progettato esclusivamente per avere basse radiazioni e condotto EMI. Seguire le linee guida di layout PCB introdotte in questo articolo per ottenere prestazioni più elevate.

La pianificazione del percorso della corrente loop è spesso trascurata, ma svolge un ruolo chiave nell'ottimizzazione della progettazione dell'alimentazione elettrica. Inoltre, le tracce di messa a terra tra Cin1 e CO1 dovrebbero essere accorciate e allargate il più possibile, e direttamente collegate al pad esposto. Ciò è particolarmente importante per il collegamento a terra del condensatore di ingresso (Cin1) con una grande corrente CA.

I pin messi a terra (compreso il pad esposto), i condensatori di ingresso e uscita, i condensatori soft-start e le resistenze di feedback nel modulo dovrebbero essere tutti collegati allo strato di loop sul PCB. Questo strato loop può essere utilizzato come percorso di ritorno con corrente di induttanza estremamente bassa e come dissipatore di calore che sarà discusso di seguito.

La resistenza di feedback dovrebbe anche essere posizionata il più vicino possibile al perno FB (feedback) del modulo. Per ridurre al minimo la potenziale estrazione di rumore su questo nodo ad alta impedenza, è importante mantenere la traccia tra il pin FB e il rubinetto centrale della resistenza di feedback il più breve possibile. I componenti di compensazione disponibili o i condensatori di avanzamento devono essere posizionati il più vicino possibile alla resistenza di feedback superiore.

Raccomandazioni sulla progettazione termica

Mentre il layout compatto del modulo porta benefici nell'aspetto elettrico, ha anche un impatto negativo sul design di dissipazione del calore e la potenza equivalente deve essere dissipata da uno spazio più piccolo. Considerando questo problema, un unico grande pad esposto è progettato sul retro del pacchetto modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER, che è elettricamente messo a terra. Questo pad aiuta a fornire una resistenza termica estremamente bassa dal MOSFET interno (che di solito genera la maggior parte del calore) al PCB.

L'impedenza termica (θ JC) dalla giunzione dei semiconduttori al pacchetto esterno di questi dispositivi è di 1.9°C/W. Anche se è ideale per raggiungere il valore leader del settore θJC, quando la resistenza termica (θ CA) dal pacchetto all'aria è troppo grande, un valore basso θJC è privo di significato! Se non c'è un percorso di dissipazione del calore a bassa impedenza verso l'aria circostante, il calore si raccoglierà sul pad esposto e non può essere dissipato. Quindi, cosa determina esattamente il valore di θCA? La resistenza termica dal pad esposto all'aria è completamente controllata dal design PCB e dal relativo dissipatore di calore.

Ora comprendiamo rapidamente come eseguire un semplice design di dissipazione del calore PCB senza dissipatore di calore. La figura 3 mostra il modulo e il PCB come impedenza termica. Rispetto alla resistenza termica dalla giunzione alla matrice, poiché la resistenza termica tra la giunzione e la parte superiore del pacchetto esterno è relativamente elevata, possiamo ignorare per la prima volta la resistenza termica (θJT) dalla giunzione all'aria circostante.

Il primo passo nella progettazione termica è determinare la potenza da dissipare. La potenza (PD) consumata dal modulo può essere facilmente calcolata utilizzando il grafico di efficienza (η) pubblicato nella scheda tecnica.

Quindi, utilizziamo i due vincoli di temperatura, il TAmbient più alto nella progettazione, e la temperatura nominale di giunzione TJunction (125°C), per determinare la resistenza termica richiesta del modulo confezionato sul PCB.

Infine, utilizziamo la più grande approssimazione semplificata del trasferimento di calore convettivo sulla superficie PCB (con dissipatori di calore in rame intatti da 1 oncia e innumerevoli fori di dissipazione del calore sia sullo strato superiore che inferiore) per determinare l'area della scheda richiesta per la dissipazione del calore.

Il valore approssimativo dell'area PCB richiesta non tiene conto del ruolo svolto dai fori di dissipazione del calore, che trasferiscono calore dallo strato metallico superiore (il pacchetto è collegato al PCB) allo strato metallico inferiore. Lo strato inferiore funge da secondo strato superficiale, da cui la convezione può trasferire il calore dalla tavola. Affinché l'area approssimativa della scheda sia efficace, devono essere utilizzati almeno 8-10 fori di dissipazione del calore. La resistenza termica del foro di dissipazione del calore è approssimativa al valore della seguente equazione.

Questa approssimazione è per un tipico foro passante con un diametro di 12 mil e una parete laterale in rame di 0,5 once. Progettare il maggior numero possibile di fori di dissipazione del calore nell'intera area sotto il pad esposto e fare in modo che questi fori di dissipazione del calore formino un array con un passo da 1 a 1,5 mm.

in conclusione

Il modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER offre un'alternativa a progetti complessi di alimentazione e layout PCB tipici relativi ai convertitori DC/DC. Sebbene il problema del layout sia stato eliminato, alcuni lavori di progettazione ingegneristica devono ancora essere completati per ottimizzare le prestazioni del modulo con un buon bypass e dissipazione del calore.