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Tecniche di layout PCB per ottimizzare le prestazioni del modulo di alimentazione
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Tecniche di layout PCB per ottimizzare le prestazioni del modulo di alimentazione

Tecniche di layout PCB per ottimizzare le prestazioni del modulo di alimentazione

2022-03-11
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Author:pcb

A partire dal layout dell'alimentatore Scheda PCB, Questo articolo introduce i metodi di layout PCB, esempi e tecniche per ottimizzare le prestazioni del modulo di alimentazione. Quando si pianifica un layout di alimentazione elettrica, La prima considerazione è l'area fisica del ciclo dei due cicli di corrente commutati. Anche se queste aree del ciclo sono in gran parte invisibili nel modulo di alimentazione, è ancora importante comprendere i rispettivi percorsi correnti dei due cicli in quanto si estendono oltre il modulo. The current self-conducting input bypass capacitor (Cin1) passes through the high-side MOSFET during the continuous on-time of the MOSFET, reaches the internal inductor and the output bypass capacitor (CO1), e ritorna al condensatore di bypass in ingresso. Si forma durante il off-time del MOSFET interno high-side e l'on-time del MOSFET basso-side. L'energia accumulata nell'induttore interno scorre attraverso il condensatore di bypass in uscita e il MOSFET basso-lato torna a GND. The region where the two loops do not overlap each other (including the boundary between the loops) is the high di/dt regione corrente. The input bypass capacitor (Cin1) plays a key role in supplying high frequency current to the converter and returning it to its source path. The output bypass capacitor (Co1) does not carry as much AC current, ma agisce come un filtro ad alta frequenza per il rumore di commutazione. Per i motivi di cui sopra, i condensatori di ingresso e uscita devono essere posizionati il più vicino possibile ai rispettivi pin VIN e VOUT sul modulo. Come mostrato nella figura 2, L'induttanza di queste connessioni può essere ridotta al minimo mantenendo le tracce tra i condensatori bypass e i rispettivi perni VIN e VOUT il più corto e largo possibile.

Scheda PCB

Riduzione dell'induttanza nel Scheda PCB Il layout presenta due vantaggi principali. Promuovendo il trasferimento di energia tra Cin1 e CO1 per migliorare le prestazioni del dispositivo. Ciò assicurerà che il modulo abbia un buon bypass ad alta frequenza, Riduzione dei picchi di tensione induttivi dall'alto di/dt correnti. Riduce anche il rumore del dispositivo e lo stress di tensione per garantire il corretto funzionamento. Secondo, ridurre l'IME. Il collegamento di un condensatore con meno induttanza parassitaria mostrerà una bassa impedenza caratteristica alle alte frequenze, riducendo così le radiazioni condotte. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. L'aggiunta di più condensatori di ingresso funzionerà solo se i condensatori aggiuntivi sono posizionati vicino ai terminali GND e VIN. I moduli di alimentazione sono progettati in modo univoco per avere intrinsecamente EMI poco irradiato e condotto, e seguendo le linee guida di layout PCB presentate in questo articolo produrrà prestazioni più elevate. La pianificazione del percorso per le correnti loop è spesso trascurata, ma svolge un ruolo chiave nell'ottimizzazione dei progetti di alimentazione elettrica. Inoltre, la traccia del terreno verso Cin1 e CO1 deve essere accorciata ed ampliata il più possibile, e collegato direttamente al pad esposto, which is especially important for the input capacitor (Cin1) ground connection with high AC current. Ground pins (including exposed pads), Condensatori di ingresso e di uscita, condensatori soft-start, Le resistenze e le resistenze di feedback nel modulo dovrebbero essere tutte collegate allo strato di ritorno sul PCB. Questo strato di ritorno può essere utilizzato come percorso di ritorno per corrente induttrice molto bassa e come dissipatore di calore come discusso di seguito. The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. Per ridurre al minimo la potenziale estrazione del rumore in questo nodo ad alta impedenza, è fondamentale mantenere la traccia tra il pin FB e il rubinetto centrale della resistenza di feedback il più breve possibile. I componenti di compensazione disponibili o i condensatori di avanzamento devono essere posizionati il più vicino possibile alle resistenze di feedback superiori.

Thermal Design Recommendations
While the compact layout of the module provides electrical benefits, ha un impatto negativo sulla progettazione termica, dissipare una quantità equivalente di energia da uno spazio più piccolo. Con questo in mente, un unico grande pad esposto è progettato sul retro del pacchetto del modulo di alimentazione ed è a terra elettricamente. This pad helps provide very low thermal impedance from the internal MOSFET (which usually generates most of the heat) to the PCB. The thermal impedance (θJC) from the semiconductor junction to the outer package of these devices is 1.9°C/W. Mentre raggiungere il valore θJC del settore è ideale, low θJC values are meaningless when the thermal impedance (θCA) of the outer package to air is too great! Senza un percorso di dissipazione del calore a bassa impedenza verso l'aria circostante, the heat* cannot be dissipated on the exposed pad. Quindi, cosa determina esattamente il valore θCA? La resistenza termica dal pad esposto all'aria è completamente controllata dal progettazione PCB e dal dissipatore di calore associato. Ora per una rapida occhiata a come fare un semplice design termico PCB senza dissipatore di calore, poiché l'impedenza termica tra la giunzione e la parte superiore del pacchetto esterno è relativamente elevata rispetto all'impedenza termica dalla giunzione alla matrice, in this estimate from When considering the thermal resistance (θJT) from the junction to the surrounding air, Possiamo ignorare il percorso di dissipazione del calore dell'θJA. Il primo passo nella progettazione termica è determinare la potenza da dissipare. The power dissipated by the module (PD) can be easily calculated using the efficiency graph (η) published in the datasheet. Usiamo quindi i due vincoli di temperatura del progetto, TAmbient e temperatura nominale di giunzione, TJunction (125°C), per determinare la resistenza termica richiesta per il modulo confezionato sul PCB. We use a simplified approximation of convective heat transfer from the surface of a PCB (with undamaged one-ounce copper heat sinks and numerous thermal vias on both the top and bottom layers) to determine the board area required for heat dissipation. The required PCB area approximation does not take into account the role of thermal vias that transfer heat from the top metal layer (where the package is connected to the PCB) to the bottom metal layer. Lo strato inferiore funge da secondo strato superficiale da cui la convezione può trasferire il calore lontano dalla piastra. Per un'approssimazione valida dell'area della tavola, utilizzare almeno 8-10 vie termiche. La resistenza termica delle vie termiche è approssimata dai seguenti valori di equazione. Questa approssimazione è per un tipico foro passante con un diametro di 12 mil e 0.Pareti laterali di rame da 5 oz. Progettare il maggior numero possibile di fori di dissipazione del calore nell'intera area sotto il pad esposto, e fare questi fori di dissipazione del calore formare un array con un passo da 1 a 1.5mm. I moduli di alimentazione forniscono un'alternativa a progetti complessi di alimentazione e layout PCB tipici associati a DC/Convertitori CC. Mentre le sfide di layout sono state eliminate, alcuni lavori di ingegneria devono ancora essere fatti per ottimizzare le prestazioni del modulo con buon bypass e termico Scheda PCB design.