Elektronik tasarım - SIMPLE SWITCHER güç temsili için optimal PCB düzenleme yöntemi

Küresel enerji eksikliği sorunu dünyanın bütün hükümetlerinin yeni bir enerji kurtarma politikasını güçlü bir şekilde uygulamasına neden oldu. Elektronik ürünlerin enerji tüketme standartları daha sert ve daha sert oluyor. PCB tasarım mühendisleri için, daha yüksek etkileşimlilik ve daha yüksek performans güç tasarımı nasıl tasarlamak sonsuza dek bir challengedir. Elektrik tasarımının PCB tasarımından başlayınca, bu makal SIMPLE SWITCHER elektrik tasarımının performansını iyileştirmek için en iyi PCB tasarım metodlarını, örnekleri ve teknikleri tanıtır.

Elektrik tasarımını planladığında, ilk düşünecek şey, iki çemberin değiştirilmiş fiziksel döngü alanı. Bu dönüş bölgeleri enerji modülinde görünmez olsa da, iki dönüş yollarını anlamak hala önemlidir çünkü modulun ötesinde uzatacaklar. Şekil 1'de gösterilen döngü 1'de, günümüzdeki kendi başarılı giriş bypass kapasitörü (Cin1) yüksek taraflı MOSFET'nin sürekli zamanında iç induktöre ve çıkış bypass kapasitöre (CO1) geçiyor ve sonunda giriş bypass kapasitörüne döndürüyor.

İçindeki yüksek taraflı MOSFET ve düşük taraflı MOSFET'nin zamanında dönüştürüler. İçindeki induktörde depolanmış enerji çıkış bypass kapasitörünün ve düşük tarafındaki MOSFET üzerinden aklıyor ve sonunda GND'e dönüyor (Figure 1'de gösterilmiş gibi). İki dönüşün birbirlerine karışmadığı bölge (dönüşün arasındaki sınırı dahil) yüksek di/dt alanı. Girdi bypass kapasitörü (Cin1) yüksek frekans akışını dönüştürücüye vermek ve yüksek frekans akışını kaynak yoluna dönüştürmek için anahtar bir rol oynuyor.

Çıkış bypass kapasitörü (Co1) büyük bir AC akışını getirmiyor olsa da, sesi değiştirmek için yüksek frekans filtrü olarak çalışıyor. Yukarıdaki sebeplere bakılırsa, modüldeki girdi ve çıkış kapasiteleri mümkün olduğunca VIN ve VOUT piyonlarına yakın yerleştirilmeli. Şekil 2'de gösterildiği gibi, eğer bu bağlantılar tarafından oluşturduğu ilk izleri ve bağlantı kapasiteleri arasındaki VIN ve VOUT pinleri kısayılır ve mümkün olduğunca genişletirse, bu bağlantılar tarafından oluşturduğu indukatör azaltılabilir.

PCB düzenindeki indukatyonu küçültmek iki büyük faydası var. İlk olarak, Cin1 ve CO1 arasındaki enerji aktarımını terfi ederek komponent performansını geliştirir. Bu modulun yüksek frekans geçmesini ve yüksek di/dt akışlarından oluşturduğu induktiv voltaj yükseklerini azaltmasını sağlayacaktır. Aynı zamanda, aygıt sesi ve voltaj stresi normal operasyonunu sağlamak için minimalleştirilebilir. İkincisi, EMI'yi küçültür.

Küçük parazitik indukatörle bir kapasitör bağlantısı yüksek frekanslar için düşük impedans özelliklerini gösterir, bu yüzden işletilen radyasyon azaltır. Keramik kapasiteleri (X7R veya X5R) veya diğer düşük ESR kapasiteleri kullanmayı öneriliyor. Sadece ilave kapasitesi GND ve VIN terminallerine yakın yerleştirildiğinde, ilave girdi kapasitesi etkili olabilir. SIMPLE SWITCHER güç modulu, düşük radyasyon ve EMI yönetmek için tek tasarlanmış. Bu makale oluşturulan PCB düzenleme rehberlerine uyun, daha yüksek performansını başarmak için.

Sürekli dönüş akışının yolu planlaması sık sık gözden geçirilir, ama enerji tasarımını iyileştirmek için önemli bir rol oynuyor. Ayrıca, Cin1 ve CO1 arasındaki temel izleri mümkün olduğunca kısayılmalı ve genişletilmeli ve direkte açık patlama ile bağlanmalı. Büyük AC akışı ile giriş kapasitesinin (Cin1) toprak bağlantısı için özellikle önemli.

Yeraltı kalıntılar (çıkarılmış patlama dahil), girdi ve çıkış kapasiteleri, yumuşak başlatma kapasiteleri ve modüldeki geri dönüş direktörleri hepsi PCB'deki dönüş katmanıyla bağlanmalı. Bu dönüş katı, a şağıda tartışılacak sıcaklık patlaması ile aşağı düşük induktans akışı ile geri dönüş yolu olarak kullanılabilir.

Rehberin dirençisi de modulun FB (geri dönüş) pipine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmeli. Bu yüksek impedans düğümünde potansiyel gürültü çıkarmasını küçültmek için, FB pinsinin ve feedback direktörünün orta tarafındaki izlerini mümkün olduğunca kısa sürede tutmak önemlidir. Available compensation components or fee forward capacitors should be placed as close to the upper feedback resistor.

Thermal tasarım tavsiyeleri

Modülün kompakt düzeni elektrik tarafından faydalı getirirken, sıcaklık dağıtma tasarımına da negatif etkisi var ve ekvivalent güç küçük bir uzaydan ayrılmalı. Bu problemi düşünürsek, elektriksel temel alan SIMPLE SWITCHER elektrik modul paketinin arkasında bir büyük a çık patlama tasarlanmış. Bu patlama, iç MOSFET'den (genelde sıcaklığın çoğunu oluşturur) PCB'ye aşırı düşük ısı direnişliğini sağlayacak.

Bu cihazların dışarıdaki paketine kadar termal impedans (θJC) ile birlikte bu cihazların dışarıdaki paketine ulaşması 1,9ÂC/W. Fakat endüstri yönetici ݸJC değerine ulaşmak ideal olsa da, paketlerden havaya kadar termal istikrarı (θCA) çok büyük olduğunda, düşük ݸJC değeri anlamsız! Eğer çevre havaya düşük impedans sıcaklığı patlama yolu yoksa, sıcaklık açık patlama üzerinde toplanacak ve patlamayacak. Öyleyse, EKA'nın değerini tam olarak neye karar veriyor? Havanın açık patlamasından sıcak dirençliği PCB tasarımı ve bağlı ısı patlaması tarafından tamamen kontrol ediliyor.

Şimdi s ıcak patlamadan basit bir PCB ısı patlama tasarımı nasıl yapacağını anlayalım. Şekil 3, modülü ve PCB'yi termal impedans olarak gösteriyor. Toplantıdan ölüm patlaması ile karşılaştırıldığında, birleşme ve dış paketin üstündeki termal dirençliği relatively yüksek olduğundan beri, toplantıdan çevre havaya kadar sıcak dirençliği (θJT) ile ilk defa θJA Heat patlama yolunu görmezden gelebiliriz.

Termal tasarımın ilk adımı, dağılacak gücünü belirlemek. Modül tarafından kullanılan güç (PD) veri sayfasında yayınlanan etkileşimli grafik (η) kullanarak kolayca hesaplanabilir.

Sonra, tasarımın en yüksek sıcaklığı, en yüksek sıcaklığı TAmbient ve düzenlenmiş birleşme sıcaklığı TJunction (125°C), PCB'deki paketlenen modulun gerekli termal direniyetini belirlemek için kullanırız.

Sonunda, PCB yüzeyinde konvektif ısı aktarımın en büyük basitleştirildiği yaklaşımını kullanıyoruz (kusursuz bir ounce bakar ısı patlaması ile ve üst ve alt katlarında sayısız ısı dağıtımın deliklerini) sıcak dağıtmak için gereken tahta alanını belirlemek için.

Sorumlu PCB alanının yaklaşık değeri sıcaklık parçaları tarafından oynan rolünü, üst metal katından sıcaklığı (paket PCB ile bağlı) altı metal katına taşıyan metal katına almaz. Aşağıdaki katı ikinci yüzey katı olarak servis ediyor. Konveksyonun sıcaklığı tahtadan taşıyabilir. Yaklaşık tahta alanı etkili olmak için en azından 8 ile 10 ısı dağıtma delikleri kullanılmalı. Sıcak patlama deliğinin sıcaklık dirençliği aşağıdaki denklemin değerine yaklaşır.

Bu yaklaştırma, 12 mil diametri ve 0,5 ounce boyunca bakra duvarı olan bir delikten tipik bir şekilde. Mümkün olduğunca sıcak patlama deliklerini tüm alanın altında tasarlayın ve bu sıcak patlama deliklerini 1,5 mm ile bir araç oluşturun.

sonuç olarak

SIMPLE SWITCHER güç modüli kompleks güç tasarımlarına ve DC/DC dönüştürücülerine bağlı tipik PCB tasarımlarına bir alternatif sağlar. Düzenleme problemi yok edilmesine rağmen, bazı mühendislik tasarımın çalışması hala iyi bir bypass ve ısı dağıtma tasarımıyla modulun performansını iyileştirmek için tamamlanması gerekiyor.