Новости PCB - Технология компоновки PCB для работы модуля питания

Технология PCB оптимизирует производительность энергетических модулей Глобальный дефицит энергии побудил правительства по всему миру энергично проводить новую политику энергосбережения. Стандарты энергопотребления для электроники становятся все более жесткими. Для инженеров по проектированию источников питания разработка более эффективных и высокопроизводительных источников питания - это вечная задача. Эта статья начинается с компоновки панели PCB питания и описывает лучшие методы, примеры и методы компоновки PCB для оптимизации производительности модуля питания SIMPLE SWITCH.

При планировании распределения питания первое, что нужно учитывать, - это площадь физического контура двух контуров тока переключателя. Хотя эти области контуров в основном невидимы в модуле питания, важно знать соответствующие пути тока обоих контуров, поскольку они будут простираться за пределы модуля. В кольце 1 электрический самонаводящийся входной шунтирующий конденсатор (Cin1) проходит через MOSFET во время непрерывной проводимости MOSFET на высокой стороне, достигая внутреннего индуктора и выходного шунтирующего конденсатора и, наконец, возвращаясь к входной шунтирующей емкости.

Кольцо 2 образуется во время внутреннего отсека MOSFET высокой стороны и во время прохождения MOSFET низкой стороны. Поток энергии, хранящийся во внутреннем индукторе, проходит через выходной шунтирующий конденсатор и нижний MOSFET и в конечном итоге возвращается в GND. Области, в которых два контура не перекрываются друг с другом (включая границы между контурами), являются областями токов с высокой степенью di / dt. Входные шунтирующие конденсаторы (Cin1) играют ключевую роль в предоставлении высокочастотного тока преобразователю и возвращении высокочастотного тока на его исходный путь.

Конденсатор выходного шунта (Co1) не приносит большого тока переменного тока, но он может использоваться в качестве высокочастотного фильтра для переключения шума. По этим причинам входные и выходные конденсаторы на модуле должны быть как можно ближе к их соответствующим выводам VIN и VOUT. Если трасса между шунтирующими конденсаторами и их соответствующими выводами VIN и VOUT как можно короче и шире, индуктивность, создаваемая этими соединениями, может быть сведена к минимуму.

Минимизация индуктивности в компоновке PCB имеет два основных преимущества. Во - первых, улучшите производительность компонентов, облегчив передачу энергии между Cin1 и CO1. Это гарантирует, что модуль имеет хороший высокочастотный шунт и минимизирует пиковое индукционное напряжение, генерируемое током высокой частоты D / DT. В то же время шум и напряжение устройства могут быть сведены к минимуму, чтобы обеспечить его нормальную работу. Во - вторых, минимизировать EMI.

Подключение конденсаторов с меньшей паразитной индуктивностью будет демонстрировать низкое сопротивление высокой частоте, тем самым уменьшая проводимость излучения. Рекомендуется использовать керамические конденсаторы (X7R или X5R) или другие конденсаторы с низким ESR. Дополнительная входная емкость может быть эффективной только в том случае, если дополнительная емкость приближается к терминалам GND и VIN. Модуль питания SIMPLE SWITCHER имеет уникальную конструкцию с низким уровнем излучения и проводимости EMI. Пожалуйста, следуйте инструкциям по компоновке PCB, описанным в этой статье, для достижения более высокой производительности.

Планирование пути тока контура часто упускается из виду, но оно играет ключевую роль в оптимизации конструкции питания. Кроме того, линия заземления между Cin1 и CO1 должна быть как можно короче и шире и должна быть соединена непосредственно с открытым сварочным диском. Это особенно важно для заземления входного конденсатора (Cin1) с большим током AC.

Заземленные штыри (включая открытые сварочные диски), входные и выходные конденсаторы, конденсаторы мягкого запуска и резисторы обратной связи в модуле должны быть подключены к слою схемы на PCB. Этот слой кольца может использоваться в качестве пути возврата с очень низким током индуктора и может использоваться в качестве радиатора, который будет обсуждаться ниже.

Резисторы обратной связи также должны быть как можно ближе к выводам FB (обратной связи) модуля. Чтобы минимизировать потенциальное извлечение шума на этом узле с высоким сопротивлением, важно сохранить как можно более короткую линию между выводами FB и промежуточным отводом резистора обратной связи. Доступные компенсационные элементы или конденсаторы подачи должны быть как можно ближе к резистору обратной связи. Например, обратитесь к схеме PCB, приведенной в таблице данных соответствующего модуля.

Рекомендации по тепловому проектированию

Компактная компоновка модулей приносит преимущества с точки зрения электрического поля, но также негативно влияет на конструкцию охлаждения. Эквивалентная мощность рассеивается из меньшего пространства. Учитывая эту проблему, на задней панели модуля питания SIMPLE SWITCHER был спроектирован большой открытый сварочный диск, который был электрически заземлен. Этот сварочный диск помогает обеспечить очень низкое тепловое сопротивление от внутреннего MOSFET (который обычно генерирует большую часть тепла) до PCB.

Тепловое сопротивление (JC) этих устройств от полупроводникового перехода к внешнему корпусу составляет 1,9 °C / W. Хотя достижение ведущего значения JC в отрасли идеально, низкое значение JC бессмысленно, когда тепловое сопротивление (CA) от упаковки к воздуху слишком велико! Если путь охлаждения с низким сопротивлением к окружающему воздуху не обеспечен, тепло * не рассеется на открытом сварном диске. Так что же определяет ценность CA? Тепловое сопротивление от открытого сварного диска до воздуха полностью контролируется конструкцией PCB и соответствующими радиаторами.

Теперь давайте быстро узнаем, как сделать простую конструкцию охлаждения PCB без радиатора. На рисунке 3 показаны модули и ПХБ в качестве теплового сопротивления. По сравнению с тепловым сопротивлением от перехода к центральному сварному диску трубы, из - за относительно высокого теплового сопротивления между узлом и верхней частью внешней упаковки, мы можем впервые игнорировать путь теплового сопротивления (JT) JA от перехода к окружающему воздуху.

Первым шагом в тепловой конструкции является определение мощности, которая должна быть рассеяна. Мощность, потребляемая модулем (PD), можно легко рассчитать, используя карту эффективности (остров), опубликованную в таблице данных.

Затем мы используем два температурных ограничения: расчетную максимальную температуру TAmbient и номинальную температуру перехода TJunction (125°C), чтобы определить тепловое сопротивление, необходимое для модуля, упакованного в PCB.

Наконец, мы используем наиболее упрощенное приближение конвективной теплопередачи на поверхности ПХБ (верхний и нижний слои с неповрежденной унцией медного радиатора и бесчисленными отверстиями) для определения площади пластины, необходимой для охлаждения.

Требуемая приблизительная площадь PCB не учитывает роль отверстия для отвода тепла, которое передает тепло из верхнего слоя металла (упаковка соединена с PCB) в нижний слой металла. Нижний слой используется в качестве второго поверхностного слоя, с которого конвекция может передавать тепло от пластины. Чтобы приблизительная площадь пластины была эффективной, необходимо использовать не менее 8 - 10 отверстий для отвода тепла. Термосопротивление радиатора приблизительно соответствует значениям следующих уравнений.

Это приближение применимо к типичным сквозным отверстиям диаметром 12 м и медной боковой стенкой 0,5 унции. Конструкция как можно большего количества отверстий для отвода тепла по всему району под открытым сварочным диском и формирование этих отверстий в массиве с интервалом от 1 до 1,5 мм.

В общем

Модуль питания SIMPLE SWITCHER предлагает альтернативу сложной конструкции питания и типичной компоновке PCB, связанной с преобразователем DC / DC. Несмотря на то, что проблемы с компоновкой были устранены, для оптимизации производительности модулей с хорошей конструкцией шунтирования и охлаждения все еще необходимо завершить некоторые инженерные работы.