PCB 블로그 - 전원 공급 장치 모듈 성능을 최적화하는 PCB 레이아웃 기술

이 글은 전원 PCB 보드의 레이아웃에서 시작하여 전원 모듈의 성능을 최적화하는 PCB 레이아웃 방법, 인스턴스 및 기술을 소개합니다.전원 공급 장치 레이아웃을 계획할 때는 먼저 두 개의 스위치 전류 회로의 물리적 회로 면적을 고려해야 합니다.이러한 회로 영역은 전원 공급 장치 모듈에서 거의 보이지 않지만 두 회로가 모듈 외부로 확장될 때 각각의 전류 경로를 이해하는 것이 중요합니다.전류 자동 전달 입력 바이패스 콘덴서 (Cin1) 는 MOSFET의 연속 전달 시간 동안 고측 MOSFET를 통해 내부 감지기 및 출력 바이패스 콘덴서에 도달하고 입력 바이패스 콘덴서를 반환합니다.내부 고측 MOSFET 마감 시간 및 저측 MOSFET 통과 시간 동안 형성됩니다.내부 센서에 저장된 에너지는 출력 바이패스 콘덴서와 저측 MOSFET를 통해 GND로 돌아옵니다.두 회로가 서로 겹치지 않는 영역 (회로 사이의 경계 포함) 은 높은 di/dt 전류 영역입니다.바이패스 커패시터(Cin1)를 입력하면 컨버터에 고주파 전류를 공급하고 이를 원극 경로로 되돌리는 데 핵심적인 역할을 합니다.출력 바이패스 커패시터 (Co1) 는 AC 전류를 그렇게 많이 가지고 있지 않지만, 노이즈를 스위치하는 고주파 필터 역할을 한다.위의 이유로 입력 및 출력 콘덴서는 가능한 한 모듈에 있는 각각의 VIN 및 VOUT 핀에 접근해야 합니다.그림 2에서 볼 수 있듯이 바이패스 콘덴서와 각각의 VIN과 VOUT 핀 사이의 흔적선을 가능한 한 짧고 넓게 유지함으로써 이러한 연결의 전기 감각을 최소화할 수 있습니다.

PCB 보드 레이아웃의 전기 감각을 낮추는 데는 두 가지 주요 이점이 있습니다.Cin1과 CO1 사이의 에너지 이동을 촉진하여 장치 성능을 향상시킵니다.이를 통해 모듈이 고주파 바이패스가 양호하고 고di/dt 전류에서 발생하는 감응 전압의 피크를 줄일 수 있습니다.또한 장치의 소음과 전압 응력을 감소시켜 올바른 작동을 보장합니다.둘째, EMI를 줄인다.비교적 작은 기생 전감을 가진 콘덴서를 연결하면 고주파에 저저항 특성을 나타내 전도 복사를 줄일 수 있다.세라믹 콘덴서(X7R 또는 X5R) 또는 기타 저ESR 콘덴서를 사용하는 것이 좋습니다.추가 콘덴서가 GND 및 VIN 단자에 가까울 때만 추가 입력 콘덴서가 작동합니다.전원 공급 장치 모듈은 고유한 설계를 통해 저방사선 및 전도 EMI를 고유하게 갖추고 있으며, 이 문서에서 제시한 PCB 레이아웃 지침을 준수하면 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다.회로 전류의 경로 계획은 종종 무시되지만 전력 설계를 최적화하는 데 핵심적인 역할을 합니다.또한 Cin1과 CO1까지의 접지 경로는 가능한 한 단축하고 넓혀 노출된 용접판에 직접 연결해야 하며, 이는 AC 전류가 높은 입력 콘덴서(Cin1) 접지 연결에 특히 중요합니다.모듈의 접지 핀(노출된 용접 디스크 포함), 입력 및 출력 콘덴서, 소프트 부팅 콘덴서 및 피드백 저항기는 PCB의 반환 레이어에 연결되어야 합니다.이 반환 레이어는 매우 낮은 센서 전류의 반환 경로로 사용할 수 있으며 다음과 같이 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 중심 헤드 사이의 흔적을 가능한 한 짧게 유지하는 것이 중요합니다.사용 가능한 보상 컴포넌트 또는 피드백 콘덴서는 가능한 한 위쪽 피드백 저항기에 접근해야 합니다.열 설계 권장사항 모듈의 컴팩트한 레이아웃은 전기적 이점을 제공하지만 작은 공간에서 동등한 전력을 소비하는 열 설계에 부정적인 영향을 미칩니다.이를 고려하여 전원 모듈 패키지의 뒷면에 큰 노출 용접판을 설계하고 전기 접지를 수행합니다.이 용접 디스크는 내부 MOSFET (일반적으로 대부분의 열을 발생) 에서 PCB에 이르기까지 매우 낮은 열 임피던스를 제공하는 데 도움이됩니다.이들 부품은 반도체에서 외부 패키지로 연결되는 열임피던스(JC)는 1.9°C/W다. 업계의 JC 값에 도달하는 것은 이상적이지만, 외부 패키지가 공기에 대한 열임피던스가 너무 크면 낮은 JC 값은 의미가 없다!주변 공기에 대한 저임피던스 방열 경로가 없다면 노출된 용접판에서 열 * 이 사라지지 않습니다.그렇다면 도대체 무엇이 CA 값을 결정했을까?노출된 용접 디스크에서 공기에 이르는 열 저항은 PCB 설계 및 관련 히트싱크에 의해 완전히 제어됩니다.이제 히트싱크 없이 간단한 PCB 열 설계를 수행하는 방법을 빠르게 이해하기 위해 매듭에서 코어 용접판까지의 열 임피던스에 비해 매듭과 외부 패키지 상단 사이의 열 임피던스가 상대적으로 높기 때문에 주변 공기의 열 임피던스(JT)를 매듭에서 고려할 때JA 냉각 경로를 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 설계된 두 개의 온도 구속조건, TAmbient 및 정격 결온, TJunction (125 °C) 을 사용하여 PCB에 패키지된 모듈에 필요한 열 저항을 확인합니다.우리는 PCB 표면의 대류 열 전달의 단순화 근사값 (맨 위와 맨 아래에 손상되지 않은 구리 라디에이터 1온스와 많은 열 구멍) 을 사용하여 열을 방출하는 데 필요한 판 면적을 결정합니다.필요한 PCB 면적은 상단 금속층 (PCB에 패키지로 연결된 곳) 에서 하단 금속층의 열 통과 구멍으로 열을 전달하는 역할을 거의 고려하지 않은 것 같다.밑바닥은 제2표면층의 역할을 하는데 대류는 열을 판에서 전달할수 있다.유효한 판 면적 근사값의 경우 최소 8~10개의 핫 오버홀을 사용합니다.열 오버홀의 열 저항은 다음 방정식 값과 비슷합니다.이 근사값은 지름이 12밀인 귀와 0.5온스인 구리 측벽의 전형적인 통공에 적용된다.노출 용접 디스크 아래의 전체 영역에 가능한 한 많은 히트싱크를 설계하고 이 히트싱크를 1~1.5mm 간격의 어레이로 만듭니다. 전원 모듈은 복잡한 전원 설계와 DC/DC 동글과 관련된 일반적인 PCB 레이아웃에 대안을 제공합니다.레이아웃 문제는 제거되었지만 좋은 바이패스 및 핫 PCB 보드 설계를 갖춘 모듈 성능을 최적화하기 위해 여전히 일부 엔지니어링 작업이 필요합니다.