PCBニュース - パワーモジュール性能のためのPCBレイアウト技術

PCBレイアウト technology to optimize the performance of power modules
The global energy shortage problem has caused governments all over the world to vigorously implement a new energy saving policy. 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. 電源設計エンジニア, 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. 電源のレイアウトから始まる PCBボード, 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.

電力供給計画を計画するとき, 第1の考慮すべきことは、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、電力モジュール100において基本的に見えないが, それらがモジュールを越えて伸びるので、2つのループのそれぞれの現在のパスを理解することはまだ重要です. インループ1, the current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the MOSFET during the continuous on-time of the high-side MOSFET, reaches the internal inductor and output bypass capacitor (CO1), そして最後に入力バイパスキャパシタに戻る.

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。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。バイパスコンデンサとそれらのそれぞれの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発生するインダクタンスを最小化することができる。

におけるインダクタンスの最小化 PCBレイアウト 次の2つの主な利点. ファースト, CIN 1とCO 1間のエネルギー移動を促進することによる成分性能の改善. これは、モジュールが高周波バイパスを有することを保証し、高di/DT電流. 同時に, デバイスのノイズおよび電圧ストレスを最小限に抑えることができます. 二番目, 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上の回路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電流を有する戻り経路として、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。

The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. 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, FBピンとフィードバック抵抗器の中間タップの間のトレースをできるだけ短く保つことが重要です. 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14に可能な限り近く配置されるべきである. 例として, を参照してください PCBレイアウト 関連するモジュールデータシート内のダイヤグラム.

熱設計勧告

モジュールのコンパクトなレイアウトは、電界における利点をもたらすが、熱放散設計に悪影響を及ぼす。等価電力は、より小さいスペースから放散される。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! 低インピーダンス放熱パスが周囲の空気に提供されないならば, the heat will *cannot be dissipated on the exposed pad. 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，pcb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，設計の最大温度タンビラントと定格接合温度tjunction（125℃°c）の二つの温度制約を用いた。

最後に，熱散逸に必要な基板面積を決定するために，pcb表面上の対流熱伝達の最も簡単化された近似（無損傷の1オンスの銅ヒートシンクと無数の熱散逸穴を持つ最上部層と底層）を使用した。

必要なPCB面積は、トップメタル層（パッケージはPCBに接続されている）から熱を金属層に伝達する放熱孔の役割を考慮に入れない。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オンスの銅側壁に適用される。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

単純なスイッチャパワーモジュールは、複雑な電源設計および典型的なものに代替を提供する PCBレイアウト related to DC/直流変換器. レイアウト問題は削除されましたが, 良好なバイパス及び熱放散設計によるモジュールの性能を最適化するために，いくつかのエンジニアリング設計作業はまだ完了する必要がある.