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优化电源模块机能的PCB设想计划手艺

宣布时候:2015-08-10 08:40:54 分类:材料中间

 环球呈现的动力欠缺题目使各当局都起头鼎力奉行节能新政。电子产物的能耗标准愈来愈严酷,对电源设想工程师,若何设想更高效力、更高机能的电源是一个永久的挑衅。本文从电源PCB的计划动身,先容了优化SIMPLE SWITCHER电源模块机能的佳PCB计划体例、实例及手艺。

在计划电源计划时,起首要斟酌的是两个开关电流环路的物理环路地区。固然在电源模块中这些环路地区根基看不见,可是领会这两个环路各自的电流途径仍很主要,因为它们会延至模块之外。在图1所示的环路1中,电流自导通的输入旁路电容器(Cin1),在高端MOSFET的延续导通时候内经该MOSFET,到达外部电感器和输入旁路电容器(CO1),后前往输入旁路电容器。

  

 

图1 电源模块中环路表示图

 

环路2是在外部高端MOSFET的关断时候和低端MOSFET的导通时候内构成的。外部电感器中存储的能量流经输入旁路电容器和低端MOSFET,后前往GND(如图1所示)。两个环路互不堆叠的地区(包含环路间的边境),即为高di/dt电流地区。在向转换器供给高频电流和使高频电流前往其源途径的进程中,输入旁路电容器(Cin1)起着关头感化。

输入旁路电容器(Co1)固然不会带来较大交换电流,但却会充任开关噪声的高频滤波器。鉴于上述缘由,在模块上输入和输入电容器应当尽能够接近各自的VIN和VOUT引脚安排。如图2所示,若使旁路电容器与其各自的VIN和VOUT引脚之间的走线尽能够延长并扩宽,便可将这些毗连发生的电感降至低。

  

 

图2 SIMPLE SWITCHER环路

 

将PCB计划中的电感降至低,有以下两大益处。一,经由进程增进能量在Cin1与CO1之间的传输来进步元件机能。这将确保模块具备杰出的高频旁路,将高di/dt电流发生的电感式电压峰值降至低。同时还能将器件噪声和电压应力降至低,确保其一般操纵。二,大化下降EMI。

毗连更少寄生电感的电容器,就会表现出对高频次的低阻抗特征,从而削减传导辐射。倡议操纵陶瓷电容器(X7R或X5R)或其余低ESR型电容器。只要将额外的电容放在接近GND和VIN端时,增加的更多的输入电容才能阐扬感化。SIMPLE SWITCHER电源模块颠末怪异设想,自身即具备低辐射和传导EMI,而遵守本文先容的PCB计划指点目标,将取得更高机能。

回路电流的途径计划常被轻忽,但它对优化电源设想却起着关头感化。另外,应当尽能够延长且扩宽与Cin1和CO1之间的接地走线,并间接毗连裸焊盘,这对具备较大交换电流的输入电容(Cin1)接地毗连尤其主要。

模块中接地的引脚(包含裸焊盘)、输入和输入电容器、软启动电容和反应电阻,都应连至PCB上的回路层。此回路层可作为电感电流极低的前往途径和下文将谈及的散热装配操纵。

  

 

图3 模块及作为热阻抗的PCB表示图

 

反应电阻也应安排在尽能够接近模块FB(反应)引脚的地位上。要将此高阻抗节点上的潜伏噪声提取值降至低,令FB引脚与反应电阻中间抽头之间的走线尽能够短是相当主要的。可用的弥补组件或前馈电容器应当安排在尽能够接近下层反应电阻的地位上。

  散热设想倡议

  模块的松散计划在电气方面带来益处的同时,对散热设想构成了负面影响,等值的功率要从更小的空间耗散掉。斟酌到这一题目,SIMPLE SWITCHER电源模块封装的反面设想了一个零丁的大的裸焊盘,并以电气体例接地。该焊盘有助于从外部MOSFET(凡是发生大局部热量)到PCB间供给极低的热阻抗。

  从半导体结到这些器件外封装的热阻抗(θJC)为1.9℃/W。固然到达行业抢先的θJC值就很抱负,但当外封装到氛围的热阻抗(θCA)太大时,低θJC值也毫有意义!若是不供给与四周氛围雷同的低阻抗散热途径,则热量就集聚集在裸焊盘上没法消失。那末,事实是甚么决议了θCA值呢?从裸焊盘到氛围的热阻完全受PCB设想和相干的散热片的节制。

  此刻来疾速领会一下若何停止不含散热片的简略PCB散热设想,图3表示了模块及作为热阻抗的PCB。与从结到裸片焊盘的热阻抗比拟,因为结与外封装顶部间的热阻抗绝对较高,是以在一次估量从结到四周氛围的热阻(θJT)时,咱们能够疏忽θJA散热途径。

  散热设想的一步是肯定要耗散的功率。操纵数据表中宣布的效力图(η)便可轻松计较出模块耗损的功率(PD)。

  而后,咱们操纵设想中的低温度TAmbient和额外结温TJunction(125℃)这两个温度束缚来肯定PCB上封装的模块所需的热阻。

  后,咱们操纵PCB外表(顶层和底层上均具备未破坏的一盎司铜散热片和有数个散热孔)的对流热通报的大简化的类似值来肯定散热所需的板面积。

  

 

  所需的PCB板面积类似值未斟酌到散热孔所阐扬的感化,这些散热孔将热量从顶部金属层(封装毗连至PCB)向底部金属层通报。底层用作二外表层,对流能够从这里将板上的热量传递进来。为了使板面积类似值有用,需操纵最少8~10个散热孔。散热孔的热阻类似于以下方程式值。

  此类似值合用于直径为12密尔、铜侧壁为0.5盎司的典范纵贯孔。在裸焊盘下方的全部地区内要尽能够多地设想一些散热孔,并使这些散热孔以1~1.5mm的间距构成阵列。

  论断

  SIMPLE SWITCHER电源模块为应答庞杂的电源设想,和与直流/直流转换器相干的典范的PCB计划供给了替换计划。固然计划困难已被消弭,但仍需实现一些工程设想任务,以便操纵杰出的旁路和散热设想来优化模块机能。

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