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优化电源模块性能的PCB设计布局技术

发布时间:2016-08-10 08:40:54 分类:资料中心

 全球出现的能源短缺问题使各政府都开始大力推行节能新政。电子产品的能耗标准越来越严格,对于电源设计工程师,如何设计更高效率、更高性能的电源是一个永恒的挑战。本文从电源PCB的布局出发,介绍了优化SIMPLE SWITCHER电源模块性能的佳PCB布局方法、实例及技术。

ZAIGUIHUADIANYUANBUJUSHI,SHOUXIANYAOKAOLVDESHILIANGGEKAIGUANDIANLIUHUANLUDEWULIHUANLUQUYU。SUIRANZAIDIANYUANMOKUAIZHONGZHEIXIEHUANLUQUYUJIBENKANBUJIAN,DANSHILEJIEZHEILIANGGEHUANLUGEZIDEDIANLIULUJINGRENGHENZHONGYAO,YINWEITAMENHUIYANZHIMOKUAIYIWAI。ZAITU1SUOSHIDEHUANLU1ZHONG,DIANLIUZIDAOTONGDESHURUPANGLUDIANRONGQI(Cin1),ZAIGAODUANMOSFETDECHIXUDAOTONGSHIJIANNEIJINGGAIMOSFET,DAODANEIBUDIANGANQIHESHUCHUPANGLUDIANRONGQI(CO1),HOUFANHUISHURUPANGLUDIANRONGQI。

  

 

图1 电源模块中环路示意图

 

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图2 SIMPLE SWITCHER环路

 

JIANGPCBBUJUZHONGDEDIANGANJIANGZHIDI,YOUYIXIALIANGDAHAOCHU。YI,TONGGUOCUJINNENGLIANGZAICin1YUCO1ZHIJIANDECHUANSHULAITIGAOYUANJIANXINGNENG。ZHEIJIANGQUEBAOMOKUAIJUYOULIANGHAODEGAOPINPANGLU,JIANGGAOdi/dtDIANLIUCHANSHENGDEDIANGANSHIDIANYAFENGZHIJIANGZHIDI。TONGSHIHAINENGJIANGQIJIANZAOSHENGHEDIANYAYINGLIJIANGZHIDI,QUEBAOQIZHENGCHANGCAOZUO。ER,DAHUAJIANGDIEMI。

连接更少寄生电感的电容器,就会表现出对高频率的低阻抗特性,从而减少传导辐射。建议使用陶瓷电容器(X7R或X5R)或其他低ESR型电容器。只有将额外的电容放在靠近GND和VIN端时,添加的更多的输入电容才能发挥作用。SIMPLE SWITCHER电源模块经过独特设计,本身即具有低辐射和传导EMI,而遵循本文介绍的PCB布局指导方针,将获得更高性能。

回路电流的路径规划常被忽视,但它对于优化电源设计却起着关键作用。此外,应该尽量缩短且扩宽与Cin1和CO1之间的接地走线,并直接连接裸焊盘,这对于具有较大交流电流的输入电容(Cin1)接地连接尤为重要。

MOKUAIZHONGJIEDIDEYINJIAO(BAOKUOLUOHANPAN)、SHURUHESHUCHUDIANRONGQI、RUANQIDONGDIANRONGYIJIFANKUIDIANZU,DOUYINGLIANZHIPCBSHANGDEHUILUCENG。CIHUILUCENGKEZUOWEIDIANGANDIANLIUJIDIDEFANHUILUJINGYIJIXIAWENJIANGTANJIDESANREZHUANGZHISHIYONG。

  

 

图3 模块及作为热阻抗的PCB示意图

 

FANKUIDIANZUYEYINGFANGZHIZAIJINKENENGKAOJINMOKUAIFB(FANKUI)YINJIAODEWEIZHISHANG。YAOJIANGCIGAOZUKANGJIEDIANSHANGDEQIANZAIZAOSHENGTIQUZHIJIANGZHIDI,LINGFBYINJIAOYUFANKUIDIANZUZHONGJIANCHOUTOUZHIJIANDEZOUXIANJINKENENGDUANSHIZHIGUANZHONGYAODE。KEYONGDEBUCHANGZUJIANHUOQIANKUIDIANRONGQIYINGGAIFANGZHIZAIJINKENENGKAOJINSHANGCENGFANKUIDIANZUDEWEIZHISHANG。

  散热设计建议

  模块的紧凑布局在电气方面带来好处的同时,对散热设计造成了负面影响,等值的功率要从更小的空间耗散掉。考虑到这一问题,SIMPLE SWITCHER电源模块封装的背面设计了一个单独的大的裸焊盘,并以电气方式接地。该焊盘有助于从内部MOSFET(通常产生大部分热量)到PCB间提供极低的热阻抗。

  从半导体结到这些器件外封装的热阻抗(θJC)为1.9℃/W。虽然达到行业领先的θJC值就很理想,但当外封装到空气的热阻抗(θCA)太大时,低θJC值也毫无意义!如果没有提供与周围空气相通的低阻抗散热路径,则热量就会聚集在裸焊盘上无法消散。那么,究竟是什么决定了θCA值呢?从裸焊盘到空气的热阻完全受PCB设计以及相关的散热片的控制。

  现在来快速了解一下如何进行不含散热片的简单PCB散热设计,图3示意了模块及作为热阻抗的PCB。与从结到裸片焊盘的热阻抗相比,由于结与外封装顶部间的热阻抗相对较高,因此在一次估计从结到周围空气的热阻(θJT)时,我们可以忽略θJA散热路径。

  散热设计的一步是确定要耗散的功率。利用数据表中公布的效率图(η)即可轻松计算出模块消耗的功率(PD)。

  然后,我们使用设计中的高温度TAmbient和额定结温TJunction(125℃)这两个温度约束来确定PCB上封装的模块所需的热阻。

  HOU,WOMENSHIYONGPCBBIAOMIAN(DINGCENGHEDICENGSHANGJUNJUYOUWEISUNHUAIDEYIANGSITONGSANREPIANHEWUSHUGESANREKONG)DEDUILIURECHUANDIDEDAJIANHUADEJINSIZHILAIQUEDINGSANRESUOXUDEBANMIANJI。

  

 

  SUOXUDEPCBBANMIANJIJINSIZHIWEIKAOLVDAOSANREKONGSUOFAHUIDEZUOYONG,ZHEIXIESANREKONGJIANGRELIANGCONGDINGBUJINSHUCENG(FENGZHUANGLIANJIEZHIPCB)XIANGDIBUJINSHUCENGCHUANDI。DICENGYONGZUOERBIAOMIANCENG,DUILIUKEYICONGZHEILIJIANGBANSHANGDERELIANGCHUANSONGCHUQU。WEILESHIBANMIANJIJINSIZHIYOUXIAO,XUSHIYONGZHISHAO8~10GESANREKONG。SANREKONGDEREZUJINSIYUXIALIEFANGCHENGSHIZHI。

  此近似值适用于直径为12密尔、铜侧壁为0.5盎司的典型直通孔。在裸焊盘下方的整个区域内要尽可能多地设计一些散热孔,并使这些散热孔以1~1.5mm的间距形成阵列。

  JIELUN

  SIMPLE SWITCHER电源模块为应对复杂的电源设计,以及与直流/直流转换器相关的典型的PCB布局提供了替代方案。虽然布局难题已被消除,但仍需完成一些工程设计工作,以便利用良好的旁路和散热设计来优化模块性能。

来源:优化电源模块性能的PCB设计布局技术

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