電子設計 - 簡単なスイッチャ電源のための最適PCBレイアウト法

世界的なエネルギー不足問題は、世界中の政府に活発に新しい省エネルギー政策を実施させました. 電子製品のエネルギー消費基準はより厳しく厳しくなっている. For PCB設計 エンジニア, より高い効率と高性能電源を設計する方法は、永遠の挑戦です. 電源PCBのレイアウトから始まる, この記事はベストを紹介します PCBレイアウト 方法, 簡単なスイッチャ電源モジュールの性能を最適化するための例と技術.

電源配置を計画するとき、考慮すべき第1のものは、2つのスイッチト電流ループの物理的ループ面積である。これらのループ領域は、パワーモジュールにおいて基本的に見えないが、モジュールを超えて延びるので、2つのループのそれぞれの電流経路を理解することは依然として重要である。図1に示されるループ1では、電流自己入力入力バイパスコンデンサ（CIN 1）は、高電圧側MOSFETの連続オン時間の間、内部インダクタと出力バイパスキャパシタ（CO 1）との間でMOSFETを通過し、最終的に入力バイパスコンデンサを返す。

ループ2は、内部ハイサイドMOSFETのオフ時間および低側MOSFETのオン時間の間に形成される。内部インダクタに蓄えられたエネルギーは、出力バイパスキャパシタ及びローサイドMOSFETを通って流れ、最終的にGNDに戻る（図1に示すように）。2つのループが重ならない領域（ループ間の境界を含む）は、高di／dt電流領域である。入力バイパスコンデンサ（CIN 1）は、高周波電流をコンバータに供給して、高周波電流をそのソース経路に戻す際に重要な役割を果たす。

出力バイパスコンデンサ（CO 1）は大きな交流電流をもたらさないが、ノイズを切り替えるための高周波フィルタとして機能する。上記の理由から、モジュール上の入出力コンデンサは、それぞれのVin及びVoutピンに可能な限り近く配置されるべきである。図2に示すように、バイパスキャパシタとそのVin及びVoutピンとの間のトレースが短くなり、できるだけ広くなると、これらの接続によって生成されるインダクタンスを最小化することができる。

PCBレイアウトにおけるインダクタンスの最小化は、2つの大きな利点を有する。まず，cn 1とco 1間のエネルギー移動を促進することにより，部品性能を改善する。これは、モジュールが高周波バイパスを有し、高いdi／dt電流によって生成される誘導電圧ピークを最小にすることを保証する。同時に、通常の動作を保証するために、デバイスノイズ及び電圧ストレスを最小化することができる。第二に、EMIを最小化する。

コンデンサをより少ない寄生インダクタンスと接続することは、高い周波数に対して低インピーダンス特性を示し、それによって伝導放射線を低減する。セラミックコンデンサ（X 7 RまたはX 5 R）または他の低ESRコンデンサを使用することをお勧めします。余分なキャパシタンスがGND及びVin端子に近接して配置される場合にのみ、追加の入力容量が有効である。単純なスイッチャパワーモジュールは、ユニークに低放射線とEMIを実施するように設計されています。より高いパフォーマンスを達成するために、この記事で紹介されたPCBレイアウトガイドラインに従ってください。

ループ電流の経路計画はしばしば見落とされるが，電源設計の最適化に重要な役割を果たす。さらに、CIN 1とCO 1との間の接地トレースを短くし、できるだけ広くし、露出パッドに直接接続する必要がある。これは、入力キャパシタ（CIN 1）の接地電流が大きい交流電流で特に重要である。

接地されたピン（露出パッドを含む）、入出力コンデンサ、ソフトスタートコンデンサ、およびフィードバック抵抗器は、すべて、PCB上のループ層に接続されるべきである。このループ層は、非常に低いインダクタンス電流を有するリターンパスとして、以下に説明するヒートシンクとして使用することができる。

フィードバック抵抗器はまた、モジュールのFB（フィードバック）ピンに可能な限り近く配置されるべきである。この高インピーダンスノード上の電位ノイズ抽出を最小化するために、フィードバック抵抗器のFBピンと中間タップとの間のトレースをできるだけ短く保つことが重要である。使用可能な補償コンポーネントまたはフィードフォワードコンデンサは、上部フィードバック抵抗器に可能な限り近く配置されるべきである。

熱設計勧告

モジュールのコンパクトなレイアウトは電気的側面で利点をもたらすが、熱放散設計に悪影響を与え、等価電力はより小さな空間から放散されなければならない。この問題を考慮すると、単一の大きな露出パッドが電気的に接地された単純なスイッチャパワーモジュールパッケージの背面に設計されている。このパッドは、内部のMOSFET（通常熱のほとんどを生成する）から非常に低い熱抵抗をPCBに提供するのを助ける。

The thermal impedance (θJC) from the semiconductor junction to the outer package of these devices is 1.9°C/W. それは業界の主要な懸垂JC値に到達する理想的ですが, when the thermal resistance (θCA) from the package to the air is too large, 低経度JC値は意味がない! 周囲空気への低インピーダンス放熱経路がない場合, 熱は、露出したパッドの上で集められて、放散することができません. So, 何が正確にチェンの値を決定する? 露出したパッドから空気への熱抵抗は PCB設計 関連ヒートシンク.

今すぐ簡単にヒートシンクなしでシンプルなPCBの放熱設計を実行する方法を理解しましょう。図3は、モジュールとPCBを熱インピーダンスとして示す。接合部からダイパッドへの熱抵抗と比較して，接合部と外部パッケージの頂部との熱抵抗が比較的高いので，接合部から周囲空気への熱抵抗（ξjt）を初めて無視した。

熱設計の第一歩は、放散される力を決定することである。モジュールによって消費される電力（PD）は、データシートに公開された効率グラフ（Count）を用いて容易に計算することができる。

次に，基板上に実装したモジュールの所要熱抵抗を決定するために，二つの温度制約，設計における最高温度タンビラントと定格接合温度tjunction（125℃）を使用した。

最後に, その上での対流熱伝達の最大の簡易近似を用いた PCB表面 (with undamaged one-ounce copper heat sinks and countless heat dissipation holes on both the top and bottom layers) to determine the board area required for heat dissipation.

必要とされるPCB領域の近似値は、トップメタル層（パッケージはPCBに接続されている）から熱を熱伝導孔によって再生される役割を考慮しない。底層は第2の表面層として機能し、対流から基板から熱を伝達することができる。近似的な板面積が有効であるためには、少なくとも8〜10個の放熱穴を使用しなければならない。放熱孔の熱抵抗は次式の値に近似する。

この近似は直径12 mmの典型的な貫通孔と0 . 5オンスの銅側壁である。露出したパッドの下の全領域で可能な限り多くの放熱穴として設計して、これらの熱散逸穴は1〜1.5 mmのピッチで配列を形成する。

結論として

簡単なスイッチャパワーモジュールは、DC／DCコンバータに関連する複雑な電源設計および典型的なPCBレイアウトに代替を提供する。レイアウト問題は解消されたが，いくつかのエンジニアリング設計作業は，良好なバイパスと熱放散設計でモジュールの性能を最適化するためにまだ完成する必要がある。