Рекомендации по проектированию печатных плат для интегральных модулей питания серии LMZ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Рекомендации по проектированию печатных плат

для интегральных модулей питания серии LMZ

Александр ЛЕОНОВ

alm@efo.ru

Рассмотрены электротехнические и теплофизические принципы проектирования печатных плат для интегральных импульсных стабилизаторов напряжения. Приведен обзор демонстрационных и оценочных плат для модулей питания серии LMZ компании National Semiconductor.

\ & 11 и и it t lmzi2003tz

.....Den-.o &№d

SIMPLE SWITCHERS Rowsr Modu'e

iliiiii '

■<b s°

Um lout

1.5У to 2CV Cft to 3Pi

11 aw л I 5 ГН RLE S WITCH ERK tomlteadntor power MoCule

ruizu 3ft LHZH2D3T2 Hatfuls

■ <2U 2A LH2H J02TZ ETval ■M2U 1Й Lnan?0l1f2 Boord

■ 2DU ЗА LrtES 2DD3T?

■::эи zfl loo-^z

■ 20U 1A L4Z12DD1TZ

oW:;,'

ЩМ‘ oh e |

I-

I (Й '

У1п £N GND GND Uo

Ud

В 2010 году в группе интегральных микросхем компании National Semiconductor, выпускаемых под торговой маркой Simple Switcher, появились новые компоненты — модули питания серии LMZ [1]. Эта статья продолжает цикл публикаций [2-4], посвященных новым микросхемам.

Модули питания серии LMZ — это импульсные понижающие синхронные стабилизаторы напряжения с интегрированными силовыми ключами. От других микросхем группы Simple Switcher модули питания отличаются наличием интегрированной в корпус катушки индуктивности, которая закрыта защитным экраном. Благодаря такой конструкции уровень электромагнитных помех, излучаемых при работе модуля питания, не превышает предела, установленного стандартом EN 55022 (class B).

Еще одной уникальной особенностью модулей питания серии LMZ является корпус типа TO-PMOD с габаритными размерами 10,16x13,77x4,57 мм. Корпус имеет 7 выводов с шагом 1,27 мм. На обратной стороне корпуса расположена металлическая пластина, которая выполняет функцию теплоотвода. Тепловое сопротивление между кристаллом микросхемы и окружающей средой составляет всего 20 °С/Вт. Благодаря хорошим теплофизическим параметрам используемого корпуса и высокому коэффициенту полезного действия, модули могут работать в широком температурном диапазоне без применения дополнительных радиаторов или принудительного охлаждения. Микросхемы монтируются непосредственно на печатные платы, о важности электрического и теплового проектирования которых пойдет речь в этой статье.

Значение топологии печатной платы

Трассировка печатной платы оказывает существенное влияние на собственное электромагнитное излучение платы и ее чувствительность к воздействию внешних электромагнитных полей, а также на тепловые режимы работы установленных на плате компонентов. Применительно к источникам питания недостаточно продуманная топология платы может привести к нестабильной работе устройства, низкому КПД, повышенному уровню шума, появлению паразитных скачков напряжения во время кратковременного изменения нагрузки, а также к локальному перегреву установленных компонентов. Для получения оптимального проекта печатной платы импульсного источника питания следует обеспечить:

• правильный выбор типа печатной платы (односторонняя, двусторонняя, многослойная и т. д.);

• наличие обратного проводника для сигнальной дорожки, расположенного как можно ближе к последней;

• развязку по питанию с минимальным импедансом для каждой нагрузки;

• ограничение длины проводников;

• правильное размещение соединительных разъемов;

• правильное использование и размещение фильтров и пассивных элементов;

• правильный выбор количества слоев и толщины дорожек платы (многослойные платы);

• наличие межслойных отверстий (многослойные платы);

• обоснованный выбор внешнего охлаждения (конвекция, излучение) в зависимости от условий окружающей среды.

и

Рис. 1. а) Демонстрационная плата LMZ12003DEMO; б) оценочная плата LMZ14203EVAL

Источник питания

зп

Нагрузка 1+2

ЗП

Нагрузка 1 Нагрузка 1

Нагрузка 2

T1TTTTTTI

Нагрузка

Нагрузка 3

0,641 мОм

Рис. 2. Разводка и расчет дорожек питания

Рассмотрим эти положения подробнее, используя в качестве примеров оптимальной разводки готовые тестовые и демонстрационные платы для модулей серии LMZ (рис. 1).

Рекомендации по оптимизации длины дорожек и уменьшению их импеданса

Известно, что все дорожки обладают определенной индуктивностью и сопротивлением, которые хотелось бы максимально уменьшить для снижения тепловых потерь и влияния наводок от внешних электромагнитных полей. Для этого необходимо, чтобы

расстояние между источником и нагрузкой было минимальным, тогда трассировки имеют наименьшее сопротивление, а значит, и индуктивность.

Для простоты расчета разобьем путь передачи мощности на квадраты, как поясняется на рис. 2. Это позволит упростить представление о виде дорожки для равномерного распределения тока в зависимости от величины нагрузки и параметров источника (рис. 2в). Далее вычислим общее количество таких площадок. Каждый квадрат — это сопротивление, поэтому дорожку можно представить как параллельное и последовательное соединение резисторов (в нашем случае

Многослойная РСВ-плата Экранирующие слои Выводы питания

1

|— —

V

V+

V

—

Выводы питания Сигнальные дорожки

Рис. 3. Пример расположения выводов питания, сигнальных и экранирующих слоев

Температура окружающей среды

(Тд)

Температура Кристала Температура корпуса

(Tj) х / (Тт)

J

/

Температура контактной площадки

(Тс)

в|А

Рис. 4. Структура многослойной оценочной платы для модулей LMZ с тепловыми параметрами 0jД, 0jC, 0СД, 0JT — полное тепловое сопротивление между интегральной микросхемой и окружающей средой)

можно учитывать только сопротивление постоянному току). Вычисляем сопротивление токового пути, используя значение сопротивления площади квадрата меди в 1 унцию (0,0035 мм), которое равно 0,641 мОм (рис. 2б). Отметим, что если толщина меди больше 1 унции, то сопротивление уменьшается обратно пропорционально толщине слоя. Затем рассчитываем мощность потерь в трассировке, после чего корректируем толщину дорожек и их форму.

К примеру, выходной ток источника I = 3 А. Рассеиваемая мощность в проводнике вычисляется как Pd = 12R, тогда для дорожки, состоящей из 20 равных сопротивлений, Pd = 3x0,641x20 = 115 мВт. При уменьшении длины или увеличении ширины потери будут меньше.

Уменьшение индуктивности между дорожками

Модули питания серии LMZ имеют интегрированную экранированную катушку индуктивности, что позволяет добиться лучшей защиты от электромагнитных помех. Но паразитная индуктивность дорожек платы при каком-нибудь переходном процессе или изменении нагрузки может существенно повлиять на электромагнитные характеристики платы и компонентов, установленных на ней, сведя к минимуму все преимущества модуля LMZ. Чтобы ограничить эту индуктивность, дорожки питания должны располагаться как можно ближе друг к другу (насколько это возможно) для лучшего подавления электромагнитных полей. При этом длина дорожки должна оставаться минимальной. В оценочных платах National Semiconductor для семейства LMZ это достигается при использовании:

• многослойных печатных плат, состоящих из чередующихся изоляционных слоев с проводящими дорожками, связанных межслойными соединениями, что также уменьшает импеданс;

Интегральная микросхема Корпус

2 oz/ft2 (0,070 мм) 1 oz/ft2 (0,035 мм)

1 oz/ft2 (0,035 мм)

2 oz/ft2 (0,070 мм)

1,6 мм ±10%

Межслойные отверстия диаметром 0,3 мм

Контактная площадка

Посадочная площадка

1-й медный слой

2-й экранирующий слой

3-й внутренний слой

4-й медный слой

Рис. 5. Упрощенная модель теплового сопротивления печатной платы

Температура окружающей среды

(Та)

Температура кристала (Tj)

I—rtO_rh-

[J5fR4 Q5fR4

T-D......T

®sa[] eSAfl

®sa[] ®sa[]

Рис. 6. Модель тепловых сопротивлений многослойной оценочной платы для модулей LMZ:

0ca — тепловое сопротивление между ИС и границами платы (является комбинацией из всех тепловых сопротивлений); 0Q, — тепловое сопротивление медных дорожек и полигонов платы;

©VIA — тепловое сопротивление между медными плоскостями

(сопротивление соединительного межслойного медного отверстия);

©FR4 — тепловое сопротивление материала платы;

©SA — тепловое сопротивление с поверхности печатной платы в окружающую среду

• межслойных отверстий между внутренними слоями платы, чтобы уменьшить импеданс;

• чередующихся слоев в качестве разнополярных дорожек питания для подавления и экранировки шумов;

• некоторых слоев в качестве экрана (рис. 3 и 4);

• высокочастотных блокировочных конденсаторов вблизи нагрузки для развязки паразитной индуктивности и нагрузки;

• монтажа источника питания как можно ближе к нагрузке.

Управляющие выводы

Модули LMZ конфигурируются через управляющие выводы. Путем регулировки подстроечных элементов схемы (конденсаторов и резисторов) задается (или корректируется) значение выходного напряжения модуля. Для уменьшения влияния электромагнитных помех на работу модулей рекомендуется устанавливать на плате все навесные компоненты как можно ближе к управляющим выводам. Помехоустойчивость также можно повысить путем экранирования дорожек и сигналов управления от выходов питания. Эти экранирующие заземленные плоскости должны быть частью печатной платы, как показано на рис. 3. В плате с такой топологией можно выстраивать шины передачи данных, не опасаясь наводок или помех от модулей питания. При этом через экранирующие слои, соединенные межслойными отверстиями, будет отводиться рассеянная мощность.

В оценочных платах для модулей LMZ в качестве экранирующего заземленного слоя используется 2-й слой, разделяющий импульсный источник питания и, сигнальные проводники, расположенные на 3-м слое (рис. 4).

Итак, выбор типа печатной платы, помимо уменьшения ее размеров и увеличения плотности монтажа, существенно влияет на электромагнитные характеристики системы. Правильно подобранные компоненты и грамотно осуществленная разводка печатной платы позволяют создавать линии передачи данных и питания, имеющие слабые электромагнитные связи с другими дорожками. Но от выбора типа печатной платы также зависят ее температурные рабочие характеристики (рис. 8-12), поскольку рассеянную мощность можно отводить разными способами.

Тепловой дизайн платы

Тепловое проектирование очень важно для повышения надежности работы импульсного источника питания, так как параметры электронных компонентов зависят от температуры, а многие полупроводники весьма чувствительны к перегреву. В целом тепловое проектирование — достаточно сложный процесс, но здесь мы постараемся рассказать

о его основах на примере плат для DC/DC-преобразователей LMZ, используя упрощенную резисторную модель теплопередачи. Эта модель полезна для быстрой оценки тепловых параметров проекта, на которые влияют размер печатной платы и наличие/отсутствие воздушного охлаждения.

Начнем с рассмотрения основных параметров, таких как 0|А и 0|С (тепловое сопротивление/сопротивление теплоотдачи), от которых зависит рабочая температура, и закончим некоторыми эмпирическими правилами, соблюдение которых позволит улучшить тепловые характеристики и повысить производительность устройства.

Представим тепловое сопротивление в качестве «теплового резистора» (рис. 5), тогда по аналогии с законом Ома полное тепловое сопротивление можно представить в виде параллельной комбинации всех тепловых сопротивлений, через которые отводится тепло, рассеянное интегральной схемой.

Уравнение для теплового сопротивления:

Т —Т

0-1 схемы ± окр. среды /1 \

1А=-------------------------• (1)

Рассеянная мощность

Передача тепла от DC/DC-преобразователя в окружающую среду осуществляется по двум путям. Первый путь: соединение кристалла интегральной схемы с пластмассовым корпусом (9д0 и затем к окружающей среде — конвекцией/излучением (9та). Второй путь: соединение кристалла интегральной схемы с контактной площадкой (9са). Кристалл, имеющий обычно высокую теплопроводность, припаивается к теплопроводящей подложке (основанию), также обладающей высоким коэффициентом теплопроводности. Следовательно, передача тепла по второму пути лучше: короче сам путь и ниже тепловое сопротивление. Затем можно использовать внешний радиатор, который может быть установлен или сверху на корпус, или непосредственно на контактную площадку с нижней стороны печатной платы (рис. 7а, б). И снова, из-за высокого теплового сопротивления корпуса, радиатор будет более эффективен при установке на металлической площадке с обратной стороны платы, соединенной через межслойные отверстия с контактной площадкой под собственно DC/DC-преобразователем.

Таблица. Типичные величины тепловых сопротивлений

Название Величина Описание Параметры Уравнение

©CU 71,4 Т/Вт Тепловое сопротивление медного слоя Длина = 1 см, ширина = 1 см, толщина меди 1 унция = 0,0035 см, удельная теплопроводность меди (Icu) = 4 Вт/(см2хТ) ґ МХ^х-длина ®си— сечение слоя 0,25x1 1x0,0035

eVIA 261 Т/Вт Тепловое сопротивление 0,3 мм межслойных отверстий Длина = 0,165 см, толщина меди 1/2 унции = 0,00175 см, радиус = 0,01524 см, удельная теплопроводность меди (leu) = 4 Вт/(см2х°С) „ [уХсцХдлина] VIA ^ сечение ) 0,25x0,165 ~~ я х[(0,01524)2- (0,01524-0,00175)2]

©SA 1000 Х/Вт Тепловое сопротивление 1 см2 поверхности печатной платы с внешней средой при естественной конвекции Естественная конвекция с 1 см2, h = 0,001 Вт/(см2х°С) 0 J 1 /к 1-ЮОО 1 площадь поверхности1 1x1

Рассмотрим более подробно саму печатную плату и попробуем сделать ее оптимальной с точки зрения теплопередачи. Мы уже говорили о том, что некоторые слои платы служат для экранирования рабочих дорожек от внешних наводок. Эти же слои можно использовать и для отвода тепла. Представим плату с DC/DC-преобразователем как схему из набора тепловых сопротивлений (рис. 6).

Все параметры, приведенные на рис. 6, могут сильно влиять на температурный режим работы преобразователя. Рассмотрим их более подробно на примере демонстрационных плат для модулей LMZ.

Судя по данным таблицы, более существенный вклад в теплопроводность дают:

• Тепловое сопротивление меди.

Возьмем две платы с размерами 7,62x7,62 мм, но с разной толщиной медного слоя — в 1 унцию (0,0035 мм) и 2 унции (0,007 мм).

Тогда для первой платы тепловое сопротивление 0jA составит 28,3 °С/Вт, а для платы с более толстым слоем меди — уже 21,2 °С/Вт. Это дает 25%-ное улучшение отвода избыточного тепла лишь благодаря увеличению толщины медного слоя.

• Межслойные отверстия.

Для улучшения теплоотвода в своих оценочных платах компания National Semiconductor использует сквозные межслойные отверстия на нижнюю сторону платы, где можно установить радиатор. При использовании 16 межслойных отверстий диаметром 0,3 мм можно понизить тепловое сопротивление до 261/16 = 16,3 °С/Вт, при этом все отверстия можно разместить на площади 3,1х3,2 мм. Мы используем модули серии LMZ в корпусе TO-PMOD-7 с вынесенной на нижнюю поверхность корпуса контактной площадкой с размерами 5,35x8,54 мм. Это позволяет нам

Температура окружающей среды

(Та)

Температура кристалла

(Tj)

J

Температура радиатора (Ths)

Температура корпуса

(ТТ)

Температура контактной площадки

(Тс)

птп

и

-СИ-

Температура кристалла

(Tj)

Температура окружающей среды

(Тд)

Температура корпуса (Тт)

Tj 11

Температура контактной площадки

(Тс)

CD-

в* Эта

0JC 0са

ИЗ

!1 l!l

Іі ІІІ

тп :г

и м

0VIAS 0HEATSINK

0JA

-СИ-

Температура радиатора (Ths)

0

Рис. 7. Модель теплового сопротивления: а) с радиатором на корпусе модуля; б) с радиатором на основании платы

размещать по крайней мере 40 межслойных отверстий диаметром 0,3 мм, при этом тепловое сопротивление через суммарный массив составит 261/40 = 6,525 °С/Вт, что почти полностью позволяет нам отвести тепло от модуля на нижнюю сторону печатной платы только через контактную площадку.

С помощью теплофизических расчетов можно оценить все остальные тепловые параметры платы, учесть при разработке вклад дополнительных медных и диэлектрических слоев и т. д., в том числе используя различные модели тепловых сопротивлений (рис. 7). Однако все равно основной вклад в тепловое сопротивление будут вносить межслойные отверстия и медные полигоны платы.

Влияние теплового дизайна и архитектуры печатной платы на производительность модулей питания Simple Switcher

Посмотрим, как же влияет дизайн реальных печатных плат на их тепловое сопротивление, и сделаем вывод, какой тип платы нужно выбирать для конкретного проекта. На графиках (рис. 8-12) представлены разрезы плат National Semiconductor и величины их теплового сопротивления в зависимости от количества слоев, толщины меди, воздушного охлаждения с радиатором и без. Это позволит численно оценить тепловые режимы работы устройства на базе модулей LMZ.

На рис. 8 показано изменение теплового сопротивления платы при увеличении контактной площадки и межслойных отверстий. Для сравнения взята верхняя плата, на которой медная контактная площадка соответствует микросхеме в корпусе TO-263 (8,5х5,4 мм). Теплоотвод платы увеличивается в итоге на 40%, причем увеличение толщины верхнего слоя меди дает такой же вклад в теплоотвод, как и нижнего слоя (с учетом того, что количества межслойных отверстий достаточно для передачи тепла на нижний слой). Здесь PCB — стандартная 4-слойная плата с размерами 7,62x10,16 см с двумя дополнительными центральными слоями 7,62х7,62 см толщиной в 1 унцию (0,0035 мм).

На рис. 9 представлены тепловые характеристики печатных плат с четырьмя медными слоями толщиной в одну унцию. Отметим, что тепловая эффективность платы PCB2 с размерами 51x51 мм соответствует плате PCB1 на рис. 8, которая больше по размерам — 76,2x101,6 мм.

На рис. 10 видно, что больший вклад в теплопроводность дает увеличение толщины медного слоя (PCB2 и PCB6) по сравнению с увеличением площади слоев. Также стоит отметить, что два медных слоя платы PCB5 дают здесь такой же вклад, как один более толстый (0,007 мм) слой платы PCB6. Разница состоит в том, что в плате PCB5 больше меж-слойных теплоотводящих отверстий, и это позволяет более равномерно распределять

со

\

и 16 <

8,5x5,4 мм

10» 10 мм

20х 20 мм

76 х7 м м

76x76 мм ве рхк ИЙ и нижний слой

РСВ1

РСВЗ

РСВ4

РСВ5

РСВ стандартная 4-слойная плата азмером 7,62x10,16 мм с двумя слоям| 7,62x7,62 мм и толщиной 0,0035 мм

3

Тип РСВ

Рис. 8. Влияние верхних и нижних медных слоев на тепловое сопротивление 4-слойной печатной платы

тепло между слоями и эффективнее использовать нижний слой.

На рис. 11 показано влияние воздушного охлаждения на тепловое сопротивление двух печатных плат разных типов и разных размеров. При увеличении скорости воздушного потока (LFPM), измеряемой в линейных футах в минуту (200 LFPM я 1 м/с), тепловое сопротивление существенно понижается, при этом эффективность воздушного охлаждения выше для 4-слойной платы.

Эффективность использования радиатора не вызывает сомнений, в чем можно убедиться, рассмотрев тепловые характеристики плат при использовании радиаторов разных размеров с охлаждением и без (рис. 12).

Даже при размещении радиатора на корпусе тепловое сопротивление уменьшается, но в этом случае эффективность радиатора ограничена малой теплопроводностью корпуса, поэтому увеличение размера радиатора не приведет к существенно лучшему охлаждению. Размещение радиатора на медном

30

25

іІ 20

38x38 мм (1 5'х1,5’) '

I ::: РСВ1 ^

51x51 мм (2 х2’) ^

| :::: " | РСВ2

76x51 мм (3 х2')

I ::: і:і | рсвз

76x76 мм (3 хЗ’)

I : : : : 1 рсв4

Тип РСВ

3 4

Тип РСВ

Рис. 9. Влияние размера 4-слойных печатных плат на тепловое сопротивление печатной платы

Рис. 10. Влияние верхних и нижних медных слоев разной толщины на тепловое сопротивление 2-слойной печатной платы

30

10

2-слой над РСВ-плата 76,2x76,2 мм с нижним экранирующим слоем 8,5x5,4 мм

4-слойная плата 51x51 мм с 4 медными слоями 51x51 мм (2'х2')

Обдув потоком воздуха (1_РРМ)

200

400

30

Радиатор на модуле, без охлаждения

ЩИ

Радиатор на нижнем слое РСВ, без охлаждения

Радиатор на нижнем слое РСВ, поток воздуха 2001-РРМ

НБ1: основание 10x10x1,5 мм, высота 10 мм НБ2: основание 20x20x1,5 мм, высота 5 мм Н83: основание 20x20x1,5 мм, высота 10 мм

Рис. 11. Влияние воздушного потока на охлаждение печатных плат

Рис. 12. Влияние радиаторов и воздушного потока на охлаждение печатных плат

основании платы, связанном с контактной площадкой корпуса через межслойные отверстия, даст наилучшие результаты по сравнению со всеми ранее рассмотренными вариантами охлаждения даже при использовании самого простого типа платы.

Заключение

Грамотная разработка топологии печатной платы крайне важна для проектирования компактного высокопроизводительного источника питания. Каждый случай следует рассматривать, исходя из требований конкретной реальной задачи. Использование в составе устройства законченных «проверенных» плат существенно ускоряет разработку и внедрение того или иного узла прибора.

Демонстрационные и тестовые платы National Semiconductor являются хорошим выбором и проверенным решением для оценки возможностей модулей LMZ. Все платы оптимизированы для работы с максимальной производительностью, занимают наименьшую площадь и просты в использовании, имеют минимум внешних пассивных элементов, размещенных с обеих сторон печатной платы, и обладают низкими пульсациями выходного напряжения, которые можно погасить установкой дополнительных керамических конденсаторов.

При самостоятельной разработке заявленные производителем электромагнитные и тепловые рабочие характеристики моду-

лей питания LMZ могут быть получены при использовании 4-слойных печатных плат с толщиной контактных площадок в 1 унцию, хотя вполне достаточно и 2-слойных плат, но с большей толщиной слоев. Четырехслойные платы с толстыми слоями тем не менее предпочтительны, поскольку тепло между слоями распределяется более равномерно и плата будет иметь меньшие размеры.

В помощь разработчикам компания NSC также предлагает использовать готовые компьютерные модели Reference Design, выполненные в системе САПР Altium, или пользоваться системами проектирования WEBENCH Power Designer на сайте National Semiconductor. С помощью этих дополнительных средств разработки создание высококачественного источника питания может быть выполнено в предельно короткий срок. ■

Литература

1. Справочно-информационный портал компании National Semiconductor. Модули питания Simple Switcher — http://www.national.com/analog/ power/simple_switcher_power_modules

2. Иванов Д. Модули питания Simple Switcher // Компоненты и технологии. 2010. № 5.

3. Иванов Д. Модули питания LMZ120xx и LMZ142xx // Компоненты и технологии. 2010.

№ 6.

4. Иванов Д. Модули питания Simple Switcher EXT для экстремальных условий эксплуатации // Компоненты и технологии. 2010. № 10.