전자 설계 - SIMPLE SWITCH 전원 공급 장치의 PCB 최적화 레이아웃 방법

전 세계 에너지 부족 문제는 세계 각국 정부로 하여금 새로운 에너지 절약 정책을 대대적으로 실시하게 했다.전자 제품의 에너지 소모 표준이 갈수록 엄격해진다.PCB 설계 엔지니어에게 더 효율적이고 고성능의 전원을 설계하는 방법은 영원한 도전입니다.이 문서에서는 전원 PCB의 레이아웃에서 시작하여 SIMPLE SWITCH 전원 모듈의 성능 최적화를 위한 최적의 PCB 레이아웃 방법, 인스턴스 및 기술을 소개합니다.

전원 배치를 계획할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 두 개의 스위치 전류 회로의 물리적 회로 면적이다.이러한 회로 영역은 전원 공급 장치 모듈에서 거의 보이지 않지만, 두 회로 각각의 전류 경로를 이해하는 것은 모듈 밖으로 확장되기 때문에 여전히 중요합니다.그림 1에 표시된 회로 1에서 전류 자동 입력 바이패스 커패시터 (Cin1) 는 고측 MOSFET의 연속 유도 시간 동안 MOSFET를 통해 내부 센서와 출력 바이패스 커패시터에 도달하고 마지막으로 입력 바이패스 커패시터를 반환합니다.

루프2는 내부 고측 MOSFET의 마감 시간과 저측 MOSFET의 통과 시간 동안 형성된다.내부 센서에 저장된 에너지는 출력 바이패스 콘덴서와 로우 사이드 MOSFET를 거쳐 GND로 돌아갑니다 (그림 1 참조).두 회로가 서로 겹치지 않는 영역 (회로 사이의 경계 포함) 은 높은 di/dt 전류 영역입니다.입력 바이패스 커패시터 (Cin1) 는 변환기에 고주파 전류를 공급하고 고주파 전류를 원극 경로로 되돌리는 데 핵심적인 역할을 합니다.

출력 바이패스 커패시터 (Co1) 는 큰 AC 전류를 가져오지 않지만 노이즈를 스위치하는 고주파 필터 역할을 합니다.위의 이유로 모듈의 입력 및 출력 콘덴서는 가능한 한 각각의 VIN 및 VOUT 핀에 접근해야합니다.그림 2에서 볼 수 있듯이, 바이패스 콘덴서와 각각의 VIN과 VOUT 핀 사이의 흔적선이 가능한 한 짧아지고 넓어진다면, 이러한 연결로 인한 전기 감각은 최소화될 수 있다.

PCB 레이아웃에서 전기 감각을 최소화하는 데는 두 가지 주요 이점이 있습니다.첫째, Cin1과 CO1 간의 에너지 이동을 촉진하여 구성 요소 성능을 향상시킵니다.이를 통해 모듈이 고주파 바이패스가 우수하고 높은 di/dt 전류에서 발생하는 감지 전압 피크를 최소화할 수 있습니다.또한 장치의 소음과 전압 응력을 최소화하여 작동을 보장할 수 있습니다.둘째, EMI를 최소화합니다.

비교적 작은 기생 전감을 가진 콘덴서를 연결하면 고주파에서 저임피던스 특성을 나타내 전도 복사를 줄일 수 있다.세라믹 콘덴서(X7R 또는 X5R) 또는 기타 낮은 ESR 콘덴서를 사용하는 것이 좋습니다.추가 입력 용량은 GND 및 VIN 단자에 근접한 경우에만 유효합니다.SIMPLE SWITCHER 전원 모듈은 저방사선 및 전도 EMI를 갖춘 독특한 디자인입니다.이 문서에서 설명한 PCB 레이아웃 지침을 따라 성능을 향상시키십시오.

회로 전류의 경로 계획은 종종 무시되지만 전력 설계를 최적화하는 데 핵심적인 역할을 합니다.또한 Cin1과 CO1 사이의 접지적선은 가능한 한 줄이고 넓혀 노출된 용접판에 직접 연결해야 합니다.이는 AC 전류가 큰 입력 콘덴서(Cin1)의 접지 연결에 특히 중요합니다.

모듈의 접지 핀(노출된 용접 디스크 포함), 입력 및 출력 콘덴서, 소프트 부팅 콘덴서 및 피드백 저항기는 PCB의 루프 레이어에 연결되어야 합니다.이 루프 레이어는 매우 낮은 감지 전류가 있는 반환 경로로 사용할 수 있으며 아래에서 설명할 히트싱크로 사용할 수 있습니다.

피드백 저항기도 가능한 한 모듈의 FB(피드백) 핀에 가까워야 합니다.이 고임피던스 노드의 잠재적 노이즈 추출을 최소화하기 위해서는 FB 핀과 피드백 저항기의 중간 펌프 사이의 흔적을 가능한 한 짧게 유지하는 것이 중요합니다.사용 가능한 보상 컴포넌트 또는 피드백 커패시터는 가능한 한 위의 피드백 저항기에 접근해야 합니다.

열 설계 권장 사항

모듈의 컴팩트한 레이아웃은 전기적인 이점을 제공하지만 발열 설계에도 부정적인 영향을 미치며 동등한 전력은 더 적은 공간에서 소모되어야 합니다.이 문제를 고려하여 SIMPLE SWITCHER 전원 모듈 패키지의 뒷면에 전기 접지된 큰 노출 용접판을 설계했습니다.이 용접판은 내부 MOSFET(일반적으로 대부분의 열이 발생)에서 PCB에 이르는 극저열 저항을 제공하는 데 도움이 된다.

이들 부품은 반도체에서 외부로 패키징되는 열임피던스(JC)가 1.9°C/W다. 업계 최고인 JC 값에 도달하는 것이 이상적이지만, 공기로 패키징되는 열임피던스(CA)가 너무 크면 낮은 JC 값은 무의미하다!주변 공기로의 저임피던스 방열 경로가 없으면 노출된 용접판에 열이 몰려 소산되지 않는다.그렇다면 과연 무엇이 CA의 가치를 결정했을까?노출된 용접 디스크에서 공기에 이르는 열 저항은 PCB 설계 및 관련 히트싱크에 의해 완전히 제어됩니다.

이제 히트싱크 없이 간단한 PCB 히트싱크 설계를 수행하는 방법을 빠르게 살펴보겠습니다.그림 3은 열 임피던스로 사용되는 모듈과 PCB를 보여줍니다.매듭에서 코어 용접판까지의 열저항에 비해 매듭과 외부 패키지의 상단 사이의 열저항이 상대적으로 높기 때문에 매듭에서 주변 공기까지의 열저항(JT) JA 발열 경로를 처음으로 무시할 수 있습니다.

핫 설계의 첫 번째 단계는 소모될 전력을 결정하는 것입니다.모듈이 소비하는 전력(PD)은 데이터 테이블에 게시된 효율도(섬)를 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다.

그런 다음 PCB에 패키지된 모듈에 필요한 열 저항을 결정하기 위해 설계된 최고 온도 T 환경과 정격 결온 T 함수 (125 °C) 라는 두 가지 온도 구속을 사용합니다.

마지막으로, 우리는 PCB 표면의 대류 전열의 최대 단순화 근사치 (맨 위와 맨 아래에 손상되지 않은 구리 라디에이터 1온스와 수많은 라디에이터 구멍) 를 사용하여 열을 방출하는 데 필요한 판 면적을 결정합니다.

필요한 PCB 면적의 근사값은 방열구멍의 역할을 고려하지 않고 방열구멍은 상단 금속층 (PCB에 패키지로 연결됨) 에서 하단 금속층으로 열을 전달한다.밑바닥은 두 번째 표면층으로 사용되며, 대류는 이 두 번째 표면에서 판으로부터 열을 전달할 수 있다.대략적인 플레이트 면적을 사용하려면 최소 8~10개의 히트싱크를 사용해야 합니다.히트싱크의 열 저항은 다음 방정식의 값과 비슷합니다.

이 근사값은 지름이 12밀이고 동측벽이 0.5온스인 전형적인 통공에 적용된다.노출된 용접판 아래의 전체 영역에서 가능한 한 많은 히트싱크를 설계하여 1~1.5mm 간격의 패턴을 형성합니다.

결론

SIMPLE SWITCHER 전원 모듈은 복잡한 전원 설계와 DC/DC 동글에 관련된 일반적인 PCB 레이아웃에 대한 대안을 제공합니다.비록 배치 문제가 이미 제거되었지만, 양호한 우회로와 열 방출 설계를 갖춘 모듈의 성능을 최적화하기 위해서는 여전히 일부 공사 설계 작업을 완성해야 한다.