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電力モジュール性能を最適化するためのPCBレイアウト技術
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電力モジュール性能を最適化するためのPCBレイアウト技術

電力モジュール性能を最適化するためのPCBレイアウト技術

2022-03-11
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Author:pcb

電源のレイアウトから始まる PCBボード, PCBレイアウト方法を紹介します, 電源モジュールの性能を最適化するための例及び技術. 電力供給計画を計画するとき, 第1の考慮は、2つのスイッチト電流ループの物理的ループ面積である. これらのループ領域はパワーモジュール100においてほとんど見えないが, つのループのそれぞれの電流経路を、モジュール100を越えて延びるので、理解することは依然として重要である. 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), を返します。. 内部ハイサイドMOSFETのオフ時間および低側MOSFETのオン時間の間に形成される. 内部インダクタに蓄積されたエネルギーは、出力バイパスキャパシタ及びローサイドMOSFETを通ってGNDに戻る. The region where the two loops do not overlap each other (including the boundary between the loops) is the high di/DT電流領域. 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, しかし、それはスイッチングノイズのための高周波フィルタとして機能します. 上記の理由から, 入力および出力コンデンサは、モジュール上のそれぞれのVIN及びVoutピンに可能な限り近く配置されるべきである. 図2に示すように, これらの接続からのインダクタンスは、バイパスコンデンサとそれらのそれぞれのVIN及びVoutピンとの間のトレースをできるだけ短くかつ広い範囲に保つことによって最小化することができる.

PCBボード

インダクタンスの低減 PCBボード レイアウトには. デバイス性能を改善するためにCIN 1とCO 1間のエネルギー移動を促進することによって. これは、モジュールが良好な高周波バイパスを有することを保証する, 高diからの誘導電圧ピークの低減/DT電流. また、適切な動作を確保するためにデバイスのノイズや電圧ストレスを低減します. 二番目, emiを減らす. コンデンサをより少ない寄生インダクタンスと接続することは高周波数に対して低いインピーダンス特性を示す, それによって、伝導放射線を減らす. Ceramic capacitors (X7R or X5R) or other low ESR type capacitors are recommended. 更なる入力コンデンサを加えることは、追加のコンデンサがGNDとVIN端子の近くに置かれるならば働くだけです. パワーモジュールは、本質的に低放射および伝導EMI, そして、この記事で示されるPCBレイアウトガイドラインの後で、より高いパフォーマンスを得ます. ループ電流の経路計画はしばしば見落とされる, しかし、それは電力供給設計を最適化する上で重要な役割を演じる. 加えて, CIN 1とCO 1への地面跡は短くされて、可能な限り広げられなければなりません, 露出したパッドに直接接続, which is especially important for the input capacitor (Cin1) ground connection with high AC current. Ground pins (including exposed pads), 入出力コンデンサ, ソフトスタートコンデンサ, そして、モジュールのフィードバック抵抗器はすべてPCB上の戻り層に接続されるべきです. このリターン層は、以下に説明するように、非常に低いインダクタ電流及びヒートシンクとしてのリターンパスとして使用することができる. The feedback resistor should also be placed as close as possible to the FB (feedback) pin of the module. この高インピーダンスノードにおける雑音抽出の最小化, FBピンとフィードバック抵抗器の中心タップの間のトレースをできるだけ短く保つことは重要です. 使用可能な補償コンポーネントまたはフィードフォワードコンデンサは、上部フィードバック抵抗器に可能な限り近く配置されるべきである.

Thermal Design Recommendations
While the compact layout of the module provides electrical benefits, それは熱設計に悪影響を及ぼす, より小さい空間から等価量の電力を放散すること. これで心に, 単一の大きな露出パッドは、パワーモジュールパッケージの背面に設計され、電気的に接地される. 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. 業界の菅JC値に到達しながら理想的です, low θJC values are meaningless when the thermal impedance (θCA) of the outer package to air is too great! 周囲空気への低インピーダンス放熱経路なしで, the heat* cannot be dissipated on the exposed pad. So, 何が正確にどれかの値を決定する? 露出したパッドから空気への熱抵抗は、PCB設計および関連ヒートシンクによって完全に制御される. 今すぐヒートシンクなしでシンプルなPCBの熱設計を行う方法を簡単に見てください, 接合部と外側パッケージの頂部との間の熱インピーダンスは、接合部からダイパッドまでの熱インピーダンスと比較して、比較的高い, in this estimate from When considering the thermal resistance (θJT) from the junction to the surrounding air, 我々は、無視してください. 熱設計の第一歩は、放散されるべき力を決定することである. The power dissipated by the module (PD) can be easily calculated using the efficiency graph (η) published in the datasheet. 次に、設計の2つの温度制約を使用する, タンビントと定格接合温度, TJunction (125°C), PCB上に実装されたモジュールに必要な熱抵抗を決定する. 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. 底層は第2の表面層として作用し、そこから対流はプレートから熱を伝達することができる. 有効なボード領域近似, 少なくとも8 - 10のサーマルビアを使用してください. 熱ビアの熱抵抗は、以下の方程式値によって近似される. この近似は、直径12 mm及び0の典型的な貫通孔である.5オンスの銅側壁. 露出パッドの下の全領域で可能な限り多くの放熱穴として設計する, そして、これらの放熱穴を1~1のピッチで配列とする.5 mm. パワーモジュールは、DCに関連する複雑な電源設計および典型的なPCBレイアウトに代替を提供する/直流変換器. 一方、レイアウトの課題が削除されている, いくつかのエンジニアリング・ワークは、良好なバイパスと熱でモジュール性能を最適化するためにまだ行われる必要がある PCBボード デザイン.