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提高電源能耗的PCB優化布局方案

美國國家半導體簡單易用的新一代電源模塊為復雜的電源設計、以及通常與 DC-DC 轉換器有關的印刷電路板(PCB)布局提供了一種替代方案。盡管如此,在設計和布局這些將電感器和單片同步穩壓器集成在一個電源組中的電源模塊時仍有不少設計工作要做。本文介紹了最佳的PCB布局方法、實踐和技術,以最大限度地優化 SIMPLESWITCHER電源模塊的性能。

在規劃電源布局時,首先要考慮的是兩個開關電流環路的物理環路區域。雖然在電源模塊中這些環路區域基本看不見,但是了解這兩個環路各自的電流路徑仍很重要,因為它們會延至模塊以外。在圖1所示的環路1中,電流自導通的輸入旁路電容器(Cin1),在高端MOSFET的持續導通時間內經該MOSFET,到達內部電感器和輸出旁路電容器(CO1),最后返回輸入旁路電容器。

圖1 電源模塊中環路示意圖

  環路2是在內部高端MOSFET的關斷時間以及低端MOSFET的導通時間內形成的。內部電感器中存儲的能量流經輸出旁路電容器和低端MOSFET,最后返回GND(如圖1所示)。兩個環路互不重疊的區域(包括環路間的邊界),即為高di/dt電流區域。在向轉換器提供高頻電流以及使高頻電流返回其源路徑的過程中,輸入旁路電容器(Cin1)起著關鍵作用。

輸出旁路電容器(Co1)雖然不會帶來較大交流電流,但卻會充當開關噪聲的高頻濾波器。鑒于上述原因,在模塊上輸入和輸出電容器應該盡量靠近各自的VIN和VOUT引腳放置。如圖2所示,若使旁路電容器與其各自的VIN和VOUT引腳之間的走線盡量縮短并擴寬,即可將這些連接產生的電感降至最低。

圖2 SIMPLE SWITCHER環路

  將PCB布局中的電感降至最低,有以下兩大好處。第一,通過促進能量在Cin1與CO1之間的傳輸來提高元件性能。這將確保模塊具有良好的高頻旁路,將高di/dt電流產生的電感式電壓峰值降至最低。同時還能將器件噪聲和電壓應力降至最低,確保其正常操作。第二,最大化降低EMI。

  連接更少寄生電感的電容器,就會表現出對高頻率的低阻抗特性,從而減少傳導輻射。建議使用陶瓷電容器(X7R或X5R)或其他低ESR型電容器。只有將額外的電容放在靠近GND和VIN端時,添加的更多的輸入電容才能發揮作用。SIMPLE SWITCHER電源模塊經過獨特設計,本身即具有低輻射和傳導EMI,而遵循本文介紹的PCB布局指導方針,將獲得更高性能。

  回路電流的路徑規劃常被忽視,但它對于優化電源設計卻起著關鍵作用。此外,應該盡量縮短且擴寬與Cin1和CO1之間的接地走線,并直接連接裸焊盤,這對于具有較大交流電流的輸入電容(Cin1)接地連接尤為重要。

模塊中接地的引腳(包括裸焊盤)、輸入和輸出電容器、軟啟動電容以及反饋電阻,都應連至PCB上的回路層。此回路層可作為電感電流極低的返回路徑以及下文將談及的散熱裝置使用。

圖3 模塊及作為熱阻抗的PCB示意圖

  反饋電阻也應放置在盡可能靠近模塊FB(反饋)引腳的位置上。要將此高阻抗節點上的潛在噪聲提取值降至最低,令FB引腳與反饋電阻中間抽頭之間的走線盡可能短是至關重要的?捎玫难a償組件或前饋電容器應該放置在盡可能靠近上層反饋電阻的位置上。

  散熱設計建議

  模塊的緊湊布局在電氣方面帶來好處的同時,對散熱設計造成了負面影響,等值的功率要從更小的空間耗散掉?紤]到這一問題,SIMPLE SWITCHER電源模塊封裝的背面設計了一個單獨的大的裸焊盤,并以電氣方式接地。該焊盤有助于從內部MOSFET(通常產生大部分熱量)到PCB間提供極低的熱阻抗。

  從半導體結到這些器件外封裝的熱阻抗(θJC)為1.9℃/W。雖然達到行業領先的θJC值就很理想,但當外封裝到空氣的熱阻抗(θCA)太大時,低θJC值也毫無意義!如果沒有提供與周圍空氣相通的低阻抗散熱路徑,則熱量就會聚集在裸焊盤上無法消散。那么,究竟是什么決定了θCA值呢?從裸焊盤到空氣的熱阻完全受PCB設計以及相關的散熱片的控制。

  現在來快速了解一下如何進行不含散熱片的簡單PCB散熱設計,圖3示意了模塊及作為熱阻抗的PCB。與從結到裸片焊盤的熱阻抗相比,由于結與外封裝頂部間的熱阻抗相對較高,因此在第一次估計從結到周圍空氣的熱阻(θJT)時,我們可以忽略θJA散熱路徑。

散熱設計的第一步是確定要耗散的功率。利用數據表中公布的效率圖(η)即可輕松計算出模塊消耗的功率(PD)。

然后,我們使用設計中的最高溫度TAmbient和額定結溫TJunction(125℃)這兩個溫度約束來確定PCB上封裝的模塊所需的熱阻。

最后,我們使用PCB表面(頂層和底層上均具有未損壞的一盎司銅散熱片和無數個散熱孔)的對流熱傳遞的最大簡化的近似值來確定散熱所需的板面積。

所需的PCB板面積近似值未考慮到散熱孔所發揮的作用,這些散熱孔將熱量從頂部金屬層(封裝連接至PCB)向底部金屬層傳遞。底層用作第二表面層,對流可以從這里將板上的熱量傳送出去。為了使板面積近似值有效,需使用至少8~10個散熱孔。散熱孔的熱阻近似于下列方程式值。

  此近似值適用于直徑為12密爾、銅側壁為0.5盎司的典型直通孔。在裸焊盤下方的整個區域內要盡可能多地設計一些散熱孔,并使這些散熱孔以1~1.5mm的間距形成陣列。

  結論

SIMPLE SWITCHER電源模塊為應對復雜的電源設計,以及與直流/直流轉換器相關的典型的PCB布局提供了替代方案。雖然布局難題已被消除,但仍需完成一些工程設計工作,以便利用良好的旁路和散熱設計來優化模塊性能。

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