PCB新聞 - 功率模組效能的PCB佈局科技

PCB佈局 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. 電子產品的能耗標準越來越嚴格. 供電源設計工程師使用, 如何設計更高效、更高效能的電源是一個永恒的挑戰. 從電源佈局開始 PCB板, 本文介紹了最好的 PCB佈局 方法, 優化簡單開關電源模塊效能的示例和科技.

規劃電源佈局時, 首先要考慮的是兩個開關電流回路的物理回路面積. 雖然這些回路區域在電源模組中基本不可見, 瞭解兩個回路各自的電流路徑仍然很重要，因為它們將延伸到模塊之外. 回路1中, 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), 最後返回到輸入旁路電容器.

回路2在內部高側MOSFET的關閉時間和低側MOSFET的開啟時間期間形成。 存儲在內部電感器中的能量流經輸出旁路電容器和低側MOSFET，最後返回GND。 兩個回路彼此不重疊的區域（包括回路之間的邊界）是高di/dt電流區域。 輸入旁路電容器（Cin1）在向變流器提供高頻電流並將高頻電流返回其源路徑方面起著關鍵作用。

輸出旁路電容器（Co1）不會產生較大的交流電流，但它可以作為開關雜訊的高頻濾波器。 鑒於上述原因，模塊上的輸入和輸出電容器應盡可能靠近其各自的VIN和VOUT引脚。 如果旁路電容器與其各自的VIN和VOUT引脚之間的軌跡盡可能縮短和加寬，則這些連接產生的電感可以最小化。

最小化電路中的電感 PCB佈局 有以下兩大好處. 第一, 通過促進Cin1和CO1之間的能量轉移來改善部件效能. 這將確保模塊具有良好的高頻旁路，並將高功率因數產生的感應電壓峰值降至最低/dt電流. 同時, 器件雜訊和電壓應力可以最小化，以確保其正常工作. 第二, 最小化電磁干擾.

連接寄生電感較小的電容器將在高頻下表現出低阻抗特性，從而减少傳導輻射。 建議使用陶瓷電容器（X7R或X5R）或其他低ESR電容器。 只有當額外的電容靠近GND和VIN端子時，額外的輸入電容才有效。 簡單的開關電源模塊經過獨特設計，具有低輻射和傳導EMI。 遵循本文介紹的PCB佈局指南以實現更高的效能。

回路電流的路徑規劃往往被忽視，但它在優化電源設計中起著關鍵作用。 此外，Cin1和CO1之間的接地跡線應盡可能縮短和加寬，並直接連接到外露焊盤。 這對於具有較大交流電流的輸入電容器（Cin1）的接地連接尤為重要。

模塊中的接地引脚（包括外露焊盤）、輸入和輸出電容器、軟啟動電容器和迴響電阻都應連接到PCB上的電路層。 該回路層可用作具有極低電感電流的回路，並可用作下文將討論的散熱器。

The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. 最小化該高阻抗節點上的潜在雜訊選取, 務必使FB引脚和迴響電阻器中間抽頭之間的軌跡盡可能短. 可用的補償元件或前饋電容器應盡可能靠近上迴響電阻器. 舉個例子, 請參閱 PCB佈局 相關模塊資料表中給出的圖表.

熱設計建議

模塊緊湊的佈局在電力領域帶來了好處，但也對散熱設計產生了負面影響。 等效功率從較小的空間耗散。 考慮到這個問題，在簡單開關電源模塊封裝的背面設計了一個大的外露焊盤，該焊盤接地。 該焊盤有助於提供從內部MOSFET（通常產生大部分熱量）到PCB的極低熱阻。

The thermal impedance (θJC) from the semiconductor junction to the outer package of these devices is 1.9°C/W. 雖然達到行業領先的JC值是理想的, when the thermal resistance (θCA) from the package to the air is too large, 較低的θJC值沒有意義! 如果沒有向周圍空氣提供低阻抗散熱路徑, the heat will *cannot be dissipated on the exposed pad. 所以, 究竟是什麼决定了ÎCA的價值? 從暴露墊到空氣的熱阻完全由 PCB設計 和相關的散熱器.

現在，讓我們快速瞭解如何在沒有散熱器的情况下執行簡單的PCB散熱設計。 圖3顯示了作為熱阻抗的模塊和PCB。 與從結到晶片墊的熱阻相比，由於結和外封裝頂部之間的熱阻相對較高，我們可以首次忽略從結到周圍空氣的熱阻（θJT）ÎJA散熱路徑。

熱設計的第一步是確定要耗散的功率。 使用資料表中公佈的效率圖（η），可以輕鬆計算模塊消耗的功率（PD）。

然後，我們使用設計的最大溫度TAmbient和額定結溫TJunctiON（125°C）這兩個溫度約束來確定封裝在PCB上的模塊所需的熱阻。

最後，我們使用PCB表面上對流傳熱的最簡化近似值（頂部和底部均具有未損壞的1盎司銅散熱器和無數散熱孔）來確定散熱所需的板面積。

所需的近似PCB面積沒有考慮散熱孔的作用，散熱孔將熱量從頂部金屬層（封裝連接到PCB）傳遞到底部金屬層。 底層用作第二表層，對流可以從中傳遞來自板的熱量。 為了使近似的板面積有效，必須至少使用8到10個散熱孔。 散熱孔的熱阻近似於以下等式的值。

該近似值適用於直徑為12密耳、銅側壁為0.5盎司的典型通孔。 在外露焊盤下方的整個區域設計盡可能多的散熱孔，並使這些散熱孔形成一個間距為1至1.5 mm的陣列。

總之

簡單的開關電源模塊為複雜的電源設計和典型的 PCB佈局 related to DC/直流變流器. 儘管佈局問題已經消除, 為了優化具有良好旁路和散熱設計的模塊的效能，仍需完成一些工程設計工作.