我可以在 SMPS 中创建开关节点的背面“铜多边形”吗?

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2022-01-14 02:29:25

我有一个具有以下属性的 SMPS 设计:

  • 9-15V输入电压
  • 5V、3A输出
  • 开关频率为 350kHz。
  • 开关控制器是LM25085
  • 使用的二极管是DSSK48-003BS
  • 开关是FDS4953
  • 示意图如下(点击会变大,推荐在新标签打开):

这是顶部铜布局。在此布局中,底部覆铜是接地填充

在此处输入图像描述

我知道增加开关节点上的铜面积会给我更多的 EMI,因为那时它将是一个更大的天线。另外,我知道断开接地层将使返回回路遵循某种方式,而不是“在走线正下方”,这将增加回路面积,这将更多地打开 EMI 的大门,除此之外,它如果接地返回高,可能会导致接地反弹dIdt,就像从二极管返回到输入电容器的地。

考虑到这些,如果我在 D1 阴极焊盘正下方的接地平面上创建一个切口,这是 PCB 右下角带有大 SW 的第二个引脚,并在底层填充该切口铜连接到 D1 的阴极,有很多散热孔来形成散热片,有什么优点和缺点?

另外,你能批评一下我的 SMPS 设计吗?

编辑:

我的 PCB 到了,我好像把我的 MOSFET 连接错了。我已经交换了漏极和源极连接,所以它不起作用。对 MOSFET 进行死调试并再次焊接。它在 Vin=12V 时 150mA 后和 Vin=10V 时 130mA 后不起作用。我检查了 MOSFET 是否正常工作并更换了控制器 IC,以防万一,但没有运气。希望我能解决问题。。

更多编辑:

问题是我的虚拟可编程虚拟负载。它无法正确测量电压及其最小值。输入电压设置为5V。我将最小输入电压设置为 3V,设计现在运行良好。

4个回答

第一条评论:

  1. 添加保险丝。如果输入极性意外反转,输入附近的小二极管将钳位输入并烧毁。

  2. 在 PWM 驱动时,将开关门直接连接在一起并不是一个好主意,因为门电容会相互影响。对于合理的低频电源设计,这可以通过靠近每个栅极的小型串联电阻(10 欧姆)来解决。Microsemi 有一篇关于寄生栅极振荡的应用说明,很好地解释了这个问题。

  3. 陶瓷电容器的电压应降低 60-70%。(即不要在 12V 输出上使用 16V 电容器 - 使用 25V)。还要记住,介电材料很重要 - X7R / X5R 电容器在其 DC 偏置接近部件额定值时,在其额定电容的 50% 处损失尽可能多。C0G 和 U2J 电介质在很大程度上不受此影响。Kemet 有一个应用说明,其中提到了 MLCC 的这个(和其他)陷阱。

  4. IC 的底部(在 MSOP 中,这是您的 PCB 似乎正在使用的)有一个裸露的焊盘,应该连接到一个大的接地层以进行散热。该器件没有集成 MOSFET,但 MOSFET 驱动器本身会消耗功率并需要冷却。如果您不使用带有外露焊盘的部件,那么您应该使用!拥有比您可能需要的更多的冷却总是更好。由于您要驱动两个 MOSFET,因此驱动器将做相当多的工作。(在您的原理图中,裸露的焊盘是无连接的 - 它应该通过焊盘上的通孔进入您的底部接地端)。

  5. 从 EMI 的角度来看,您已经完成了让控制电路远离电源路径的最重要的事情。用于二极管冷却的孤立岛不应该做坏事,因为我认为它不会明显改变任何回路尺寸。无论您做什么,硬开关降压都会产生 EMI,并且您的二极管将会有损耗。(如果成本不是一个大问题,那么您从同步降压中获得的收益就较低的开关与二极管的功率损耗而言是值得额外投资的。)

  6. 确保您的过流关断限制低于输出电感器可以处理的 4.1A 最大直流电流。我没有推翻你的任何计算来自己解决这个问题——今天早上太累了:)

  7. 你真的应该有某种输出过压保护。理想情况下,您需要一个 SCR 撬棒,以防出现串联 MOSFET 故障。SCR 钳位直流输入并熔断保险丝(您需要在 #1 中添加保险丝),同时防止下游组件因接收 9-15V 而不是 5V 而全部爆炸/着火。如果您的反馈是开环的(缺少或坏的部分,焊接不良等),它也可以保护您

(我为第二个答案道歉,但提问者要求详细说明不适合评论的评论)

关于在没有单独的栅极驱动电阻器的情况下并联使用多个开关:当您开始将电流驱动到 MOSFET 栅极时,if 的行为就像一个电容器并且电压稳定上升。在某一点(高原区域),电压暂时停止上升,开关实际上从不导通变为导通。在此期间,开关节点的电压从 0 摆动到 Vin,栅极驱动电流为米勒电容充电。这是发生大部分开关损耗的区域,因为您短暂地同时拥有电压和电流。平台期过后,MOSFET 开启,开关节点电压达到 Vin,栅极-源极电压继续上升并接近您驱动它的电压。

将 2 个 MOSFET 的栅极锁定在一起,您将迫使它们具有相同的瞬时栅极电压。由于没有 2 个 MOSFET 是相同的(制造和精确的布局几何差异),它们的阈值/平台电压永远不会完全相同。结果,MOSFET A 将首先达到其平稳状态,并经历电路的整个开关损耗,而 MOSFET B 则坐在那里不导电,因为它仍然处于关闭状态。然后在 MOSFET A 的平稳期结束后,MOSFET B 达到其阈值电压并非常快速地开启,因为它不再有任何漏源电压可切换。所以基本上只有一个 MOSFET 会在欠压情况下开关,并且会产生几乎 100% 的开关损耗。

简单的解决方案是在栅极驱动器和每个 MOSFET 之间放置小电阻(例如 10 欧姆范围)。这样,MOSFET A 可能首先开始其平稳期,但 MOSFET B 的栅极电压将继续上升,并且很快它将在释放开关节点的寄生电容方面为开关做出贡献。我个人通过一个产品在我们实验室的热限制范围内经历了艰难的学习,但不知何故在该领域出现了神秘的故障。这就是问题所在。

你已经得到了一些很好的答案,所以我只会添加一个其他人没有提出的问题。

我会尝试将电感器 - 二极管 - 回路中的即时电流保持在主接地层之外。该电流很大并且具有高频分量。为此,我还想在开关前面包括输入帽。将所有这些部件连接在一个紧密的回路中,然后将该回路的接地节点连接到主接地,这样回路电流就不会穿过接地层。只有网络输入或输出电流应通过接地层的连接。这可以最大限度地减少接地层上的电流,从而使其电压更加恒定。当高频电流流过接地平面时,您就有了一个中心馈电贴片天线。

显然,只有测试您的确切布局才能肯定地告诉您,但我认为没有必要加强您的开关节点以进行传导。出于 EMI 的原因,我会将接地层留在该区域下方(接地电容的开关节点将充当自然缓冲器)。此外,假设 1 盎司铜,您不应该因为已经巨大/短的迹线上的电流容量而受到伤害。最后,缝合平面可以为您的二极管或电感器增加散热,但不会为您的开关增加散热。另一方面,我会观察开关的温度,并考虑在开关的左侧添加通孔和底层平面以散热。

另外,请特别注意 madmanguruman 的 #2 建议。