Kann ich in einem SMPS ein rückseitiges „Kupferpolygon“ des Switch-Knotens erstellen?

Ich habe ein SMPS-Design mit folgenden Eigenschaften:

• 9-15V Eingangsspannung
• 5V, 3A Ausgang
• Die Schaltfrequenz beträgt 350 kHz.
• Die Schaltsteuerung ist eine LM25085 .
• Die verwendete Diode ist eine DSSK48-003BS .
• Der Schalter ist ein FDS4953 .
• Das Schema sieht wie folgt aus (wird größer, wenn Sie auf klicken und in einem neuen Tab öffnen empfohlen):

Hier ist das obere Kupferlayout. In diesem Layout ist unteres Kupfer eine Grundfüllung :

Ich weiß, dass eine Vergrößerung der Kupferfläche am Schaltknoten mehr EMI bringt, da es sich dann um eine größere Antenne handelt. Ich weiß auch, dass das Brechen einer Grundebene dazu führt, dass die Rücklaufschleifen eher einem Weg folgen als "direkt unter der Spur", was zu einer Vergrößerung des Schleifenbereichs führt, wodurch die Türen für EMI zusätzlich geöffnet werden kann einen Bodensprung verursachen, wenn der Bodenrücklauf hoch ist$\dfrac{dI}{dt}$, wie die Rückkehr von der Diode zurück zur Masse des Eingangskondensators.

In diesem Sinne , wenn ich einen Ausschnitt in der Grundebene direkt unter dem Pad der D1-Kathode erstelle, bei dem es sich um den zweiten Stift mit einem großen SW unten rechts auf der Leiterplatte handelt, und diesen Ausschnitt in der unteren Schicht mit fülle Kupfer, das mit vielen thermischen Durchkontaktierungen an die Kathode von D1 angeschlossen ist, um einen Kühlkörper zu erzeugen. Was sind die Vor- und Nachteile?

Können Sie auch mein SMPS-Design kritisieren?

Bearbeiten:

Meine Leiterplatten sind angekommen und ich habe anscheinend meinen MOSFET falsch angeschlossen. Ich habe Drain- und Source-Verbindungen ausgetauscht, daher hat es nicht funktioniert. Der MOSFET wurde abgehört und erneut gelötet. Es funktioniert nicht nach 150 mA bei Vin = 12 V und nach 130 mA bei Vin = 10 V. Ich habe überprüft, ob der MOSFET funktioniert, und den Controller-IC für alle Fälle geändert, aber kein Glück. Hoffe ich werde das Problem lösen ..

Mehr Bearbeiten:

Das Problem war meine Dummy- programmierbare Dummy-Last. Es konnte die Spannung nicht richtig messen und es ist min. Die Eingangsspannung wurde auf 5 V eingestellt. Ich habe die minimale Eingangsspannung auf 3V eingestellt und das Design funktioniert jetzt sehr gut.

Erste Kommentare:

1. Fügen Sie eine Sicherung hinzu. Wenn die Eingangspolarität versehentlich umgekehrt wird, klemmt Ihre kleine Diode in der Nähe des Eingangs den Eingang und brennt.

2. Es ist keine gute Idee, Ihre Switch-Gates beim PWM-Betrieb direkt miteinander zu verbinden, da die Gate-Kapazitäten miteinander interagieren können. Bei Netzteilkonstruktionen mit relativ niedrigen Frequenzen kann dies mit einem kleinen Vorwiderstand (10 Ohm) in der Nähe jedes Gates behoben werden. Microsemi hat einen App-Hinweis zur parasitären Gate-Oszillation , der das Problem recht gut erklärt.

3. Keramikkondensatoren sollten für die Spannung um 60-70% reduziert werden. (Verwenden Sie also keine 16-V-Kappen an einem 12-V-Ausgang - verwenden Sie 25 V). Denken Sie auch daran, dass das dielektrische Material wichtig ist - X7R / X5R-Kondensatoren verlieren bei 50% ihrer Nennkapazität so viel, wie sich ihre Gleichstromvorspannung der Nennleistung nähert. C0G- und U2J-Dielektrika sind dagegen weitgehend immun. Kemet hat eine App-Notiz , die diese (und andere) Fallstricke bei MLCCs erwähnt.

4. Auf der Unterseite des IC (in MSOP, wie es scheint, verwendet Ihre Leiterplatte) befindet sich ein freiliegendes Pad, das zur Wärmeableitung mit einer großen Erdungsebene verbunden werden sollte. Dieses Gerät verfügt nicht über integrierte MOSFETs, aber die MOSFET-Treiber selbst verbrauchen Strom und müssen gekühlt werden. Wenn Sie das Teil nicht mit dem freiliegenden Pad verwenden, sollten Sie es sein! Es ist immer besser, mehr Kühlung zu haben, als Sie benötigen. Da Sie zwei MOSFETs ansteuern, wird der Treiber ein gutes Stück Arbeit leisten. (In Ihrem Schaltplan ist das freiliegende Pad nicht verbunden - es sollte zu Ihrem unteren Boden gehen und mit Durchkontaktierungen am Pad gegossen werden.)

5. Aus EMI-Sicht haben Sie bereits das Wichtigste getan, um Ihre Steuerschaltungen von Ihren Strompfaden fernzuhalten. Eine isolierte Insel für die Diodenkühlung sollte keine schlechten Dinge tun, da ich nicht sehe, dass sich die Schleifenabmessungen merklich ändern. Ein hart geschalteter Buck wird EMI erzeugen, egal was Sie tun, und Ihre Diode wird verlustbehaftet sein. (Wenn die Kosten kein großes Problem darstellen, sind die Gewinne, die Sie durch einen synchronen Dollar in Bezug auf den Leistungsverlust des unteren Schalters gegenüber einer Diode erzielen, die zusätzliche Investition wert.)

6. Stellen Sie sicher, dass Ihre Überstrom-Abschaltgrenze unter dem maximalen Gleichstrom von 4,1 A liegt, den Ihre Ausgangsinduktivität verarbeiten kann. Ich habe keine Ihrer Berechnungen rückgängig gemacht, um das selbst herauszufinden - heute Morgen zu müde :)

7. Sie sollten wirklich eine Art Ausgangsüberspannungsschutz haben. Idealerweise möchten Sie eine SCR-Brechstange, falls Sie einen Serien-MOSFET-Fehler haben. Der SCR klemmt den Gleichstromeingang und zündet die Sicherung (die Sie gemäß Nr. 1 hinzufügen müssen), während verhindert wird, dass Ihre nachgeschalteten Komponenten aufgrund von 9-15 V anstelle von 5 V alle explodieren / Feuer fangen. Außerdem schützt es Sie, wenn Ihr Feedback offen bleibt (fehlender oder fehlerhafter Teil, schlechtes Löten usw.)

(Ich entschuldige mich für eine zweite Antwort, aber der Fragesteller bat um eine Ausarbeitung eines Kommentars, der nicht in einen Kommentar passt.)

In Bezug auf die parallele Verwendung mehrerer Schalter ohne separate Gate-Ansteuerungswiderstände: Wenn Sie anfangen, Strom in ein MOSFET-Gate zu treiben, wenn Sie sich wie ein Kondensator verhalten und die Spannung stetig ansteigt. An einem bestimmten Punkt (dem Plateau-Bereich) hört die Spannung vorübergehend auf zu steigen und der Schalter wechselt tatsächlich von nicht leitend zu leitend. Während dieser Zeit schwingt die Spannung des Schaltknotens von 0 auf Vin, und der Gate-Ansteuerstrom fließt zum Laden der Müllerkapazität. Dies ist der Bereich, in dem die meisten Schaltverluste auftreten, da Sie kurzzeitig gleichzeitig Spannung und Strom haben. Nach dem Plateau ist der MOSFET eingeschaltet, die Schaltknotenspannung hat Vin erreicht und die Gate-Source-Spannung steigt weiter an und nähert sich der Spannung, mit der Sie ihn ansteuern.

Wenn die Gates von 2 MOSFETs miteinander verriegelt sind, erzwingen Sie, dass sie die gleiche momentane Gate-Spannung haben. Da keine 2 MOSFETs gleich sind (Unterschiede bei Herstellung und präziser Layoutgeometrie), werden ihre Schwellen- / Plateau-Spannungen niemals exakt gleich sein. Infolgedessen wird der MOSFET A zuerst sein Plateau erreichen und den gesamten Schaltverlust der Schaltung erfahren, während der MOSFET B dort sitzt und nichts leitet, weil er noch ausgeschaltet ist. Nachdem das Plateau von MOSFET A vorbei ist, erreicht MOSFET B seine Schwellenspannung und schaltet sich sehr schnell ein, da keine Drain-Source-Spannung mehr zu schalten ist. Grundsätzlich schaltet also nur ein MOSFET unter Spannung und verursacht so ziemlich 100% des Schaltverlusts.

Die einfache Lösung besteht darin, kleine Widerstände zwischen Ihren Gate-Treiber und jeden MOSFET zu legen (z. B. 10-Ohm-Bereich). Auf diese Weise kann MOSFET A zuerst sein Plateau starten, aber die Gate-Spannung von MOSFET B steigt weiter an und trägt bald zum Schalten bei, indem die parasitäre Kapazität Ihres Schaltknotens entladen wird. Ich persönlich habe dies auf die harte Tour durch ein Produkt gelernt, das in unserem Labor innerhalb seiner thermischen Grenzen lag, aber irgendwie mysteriöse Fehler auf dem Gebiet hatte. Das war das Problem.

Sie haben bereits einige gute Antworten erhalten, daher füge ich nur ein Problem hinzu, das andere nicht angesprochen haben.

Ich würde versuchen, die unmittelbaren Ströme in der Schleife der Induktor-Dioden-Kappe von der Haupterdebene fernzuhalten. Dieser Strom ist beträchtlich und weist Hochfrequenzkomponenten auf. Ich möchte auch dafür die Eingangskappe vor dem Schalter einfügen. Verdrahten Sie alle diese Teile in einer engen Schleife und verbinden Sie dann den Erdungsknoten dieser Schleife mit der Haupterde, sodass der Schleifenstrom die Erdungsebene nicht durchquert. Nur der Netzein- oder -ausgangsstrom sollte durch die Verbindung zur Erdungsebene fließen. Dies minimiert den Strom in der Masseebene, wodurch die Spannung konstanter bleibt. Wenn Hochfrequenzstrom über die Grundebene fließt, haben Sie eine mittig gespeiste Patchantenne.

Natürlich würde Ihnen nur das Testen Ihres genauen Layouts sicher sagen, aber ich denke nicht, dass es notwendig ist, Ihren geschalteten Knoten für die Leitung zu verbessern. Ich würde die Erdungsebene aus EMI-Gründen unter dieser Region belassen (der Schaltknoten zur Erdungskapazität wirkt als natürlicher Dämpfer). Unter der Annahme von 1 Unze Kupfer sollten Sie die aktuelle Kapazität auf dieser bereits großen / kurzen Spur nicht beeinträchtigen. Und schließlich könnte die zusammengenähte Ebene Ihrer Diode oder Induktivität einen Kühlkörper hinzufügen, nicht jedoch Ihrem Schalter. Auf der anderen Seite würde ich die Temperatur an Ihren Schaltern beobachten und in Betracht ziehen, auf der linken Seite Ihrer Schalter Durchkontaktierungen und eine Ebene der unteren Schicht für die Wärmeableitung hinzuzufügen.

Beachten Sie auch besonders Madmangurumans Vorschlag Nr. 2.