Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №6

Анализ эффективности преобразования, оценка тепловых режимов и компоновки систем питания высокой степени интеграции мощностью 60–72 Вт для ПЛИС

Черн Алан (Chern Alan)


Универсальные и хорошо конфигурируемые микросхемы — ПЛИС — интересное техническое решение для разработчиков. Однако процессы, которые управляют внутренней работой ПЛИС и внешними протоколами передачи данных, требуют хорошей, серьезной подготовки и тестирования опытного образца, моделирования разрабатываемого изделия с помощью специального программного обеспечения. Необходимы также анализ и оценка параметров получившегося изделия. Как результат, поставщики ПЛИС должны обеспечивать надежную техническую поддержку в виде тестовых устройств и специального программного обеспечения, чтобы таким образом помочь разработчику конечного изделия избежать проблем при разработке цифровой части устройства.

Однако не всегда очевидные трудности в части обеспечения электропитания и стабилизации напряжения с помощью импульсных преобразователей для питания ядра памяти, тактирующих устройств и прочих различных шин решаются просто. Например, современной ПЛИС и микросхемам, работающим совместно с ней, требуется нескольких разных напряжений питания.

Для осуществления эффективного электропитания каждой ПЛИС с минимальными габаритами необходимо применение импульсного преобразователя, содержащего, как правило, порядка 10 внешних элементов (катушка индуктивности, полевые транзисторы, конденсаторы, сам преобразователь и др.). Для питания ПЛИС с 6-канальным питанием может потребоваться до 60 компонентов. Кроме того, помимо длинного списка микросхем, необходимых для питания ПЛИС, есть еще и расходы по монтажу, а также расходы, связанные со снижением надежности, усложнением рисунка печатной платы и др. Поэтому настало время производителям импульсных преобразователей увеличить количество положительных качеств разрабатываемых ими микросхем.

Управление несколькими каналами напряжения питания

ПЛИС первого поколения требовалось для работы 2–3 разных напряжения питания. В настоящее время некоторым сложным ПЛИС требуется до 7 различных напряжений питания: объединение уже ставшего стандартным канала 3,3 В с относительно низковольтными — от 2,8 до 1 В и даже еще ниже. Более того, необходимы и другие напряжения питания периферийных устройств, например, устройств памяти, сетевых и графических процессоров, ЦАП и АЦП, а также различных операционных усилителей и микросхем обработки ВЧ-сигналов. Для гарантированного запуска системы с многоканальным питанием необходимо применить импульсный преобразователь с упорядоченной последовательностью запуска и функцией слежения. Проще говоря, необходим преобразователь, способный «отслеживать» выходное напряжение других преобразователей. Есть хорошая новость: источникам питания современных ПЛИС больше не нужно устанавливать жесткую последовательность подачи питания. Однако зависимая подача некоторых напряжений в разные функциональные части системы требуется до сих пор для предотвращения защелкивания системы, которое может произойти при слишком быстром или слишком медленном росте напряжения питания.

В прошлом последовательность подачи напряжений питания осуществлялась отдельной управляющей микросхемой. Сегодня уже необходимо наличие встроенных функций слежения и последовательного включения в преобразователях питания, особенно если они питают функционально разные части устройства.

Управление скоростью нарастания напряжения питания, а также динамичным и мощным напряжением ввода/вывода

Быстродействующие устройства ввода/вывода потребляют больше всего мощности питания в изделиях с ПЛИС. Обычно токи потребления составляют десятки ампер. Устройства ввода/вывода наиболее сложных систем могут потреблять токи до 40–80 А. Из-за особенностей компоновки печатной платы импульсный преобразователь должен располагаться на определенном расстоянии от нагрузки. Поэтому необходимо наличие относительно длинной дорожки от источника до точки питания устройства. При больших токах потребления из-за этих дорожек возникает изменение величины напряжения питания, которое можно вычислить как ток нагрузки (I), умноженный на паразитное сопротивление дорожки печатной платы. Это паразитное падение напряжения становится еще более неприятным, если принять во внимание тенденцию снижения напряжения питания устройств и одновременный рост токов нагрузки. Например, паразитное падение напряжения величиной 200 мВ для шины питания 3,3 В соответствует погрешности 6%, а для шины питания 1,2 В эта величина уже составляет 17%. Следовательно, хотя выходное напряжение импульсного стабилизатора и составляет 1,2 В, непосредственно на нагрузке оно будет равно 1 В.

При современной технологии производства микросхем 90 и 65 нм, где скорость нарастания сигнала и вычислительные характеристики ПЛИС зависят от точности поддержания напряжения питания, стабильность напряжения питания 17% может сильно ухудшить работу ПЛИС. Например, изменение напряжения питания на 100 мВ влечет за собой изменение токов утечки в 100 и более раз.

Обычные импульсные преобразователи обеспечивают приемлемую стабильность выходного напряжения, но только в том случае, если нагрузка находится очень близко к источнику, так как преобразователи сами по себе не могут компенсировать это паразитное падение напряжения. Компенсация паразитного падения напряжения производится с помощью отдельного усилителя. Наиболее точно напряжение питания поддерживается с помощью метода дифференциального измерения напряжения непосредственно на нагрузке, для осуществления которого необходим прецизионный операционный усилитель и прецизионные резисторы. Идеальный преобразователь должен обеспечивать точность поддержания напряжения питания не хуже ±1,5% непосредственно на нагрузке с учетом возможного изменения этой величины во всем рабочем диапазоне (–40…+85 °C). Такая стабильность допустима для шины питания 3,3 В, изменение напряжения питания в которой в пределах ±0,5 В не приводит к каким-либо последствиям. Однако микросхемы, выполненные по технологии 90 и 65 нм, с шинами питания 1,8, 1 или 0,9 В требуют более стабильного питания.

Снижение пульсаций напряжения питания при одновременном снижении требований к конденсаторам

В стационарных устройствах требования по стабильности напряжения и тока в нагрузке возрастают. Следовательно, требования по отведению тепла и КПД становятся более важными факторами при выборе импульсного преобразователя. В портативной аппаратуре КПД устройства в рабочем режиме и в режиме ожидания играют не менее важную роль при выборе преобразователя. Хотя в данном случае токи нагрузки меньше, повышенный КПД позволяет увеличить время непрерывной работы от одного комплекта батарей, а также упростить отведение тепла от элементов устройства.

Применение импульсного преобразователя в общем случае предпочтительнее, чем применение линейного стабилизатора. Причем как в портативной, так и в стационарной аппаратуре. Особенно при большой потребляемой мощности. Например, импульсный стабилизатор, преобразующий напряжение 3,3 В в напряжение 1,2 В при токе 5 А, имеет КПД 90%. КПД линейного стабилизатора в этих условиях составит 36%. Если сравнить рассеиваемые ими мощности, получится 0,7 Вт для импульсного преобразователя и 10,5 Вт для линейного стабилизатора.

С другой стороны, импульсный преобразователь имеет повышенный уровень шумов и наводок. Так как современные ПЛИС работают с сигналами высокоскоростных устройств ввода/вывода, то, соответственно, они более чувствительны к шумам источника питания. Для уменьшения уровня шумов необходимо применение большого числа входных и выходных конденсаторов. Тем не менее подавление шумов, обусловленных самим процессом преобразования, требует бoльших усилий, чем просто применение сглаживающих конденсаторов. Одним из возможных решений этой проблемы является применение внешнего генератора импульсов преобразования с частотой, выбранной таким образом, чтобы гармоники этих импульсов имели минимальное воздействие на чувствительные к шумам функциональные блоки системы. Этот метод особенно эффективен при синхронизации нескольких параллельно работающих импульсных преобразователей.

Приведенные выше методы помогают при разработке преобразователей напряжения для снижения уровня шумов. Однако проблема шумов может быть эффективно решена и на стадии проектирования преобразователя благодаря правильной разводке «земляной» шины. Правильно разработанная шина «земли» снижает требования к входным и выходным фильтрам и экранированию (вплоть до полного отказа от экранирования).

Точная подстройка напряжения во время наладки и установки источника в изделие

Работа ПЛИС и совместно с ней работающих микросхем в лаборатории несколько отличается от практической работы в изделии. На работу ПЛИС вместе с обвязкой в изделии очень сильно влияют такие факторы, как тип припоя, температура, рисунок печатной платы, а также сам способ установки компонентов изделия. Например, если ядро ПЛИС запрограммировано при напряжении питания, отличном от ожидаемого в готовом изделии, это приведет к снижению скорости обработки данных. Следовательно, общее быстродействие системы будет ухудшено. В некоторых случаях персонал, контролирующий качество готового изделия, должен его забраковать, так как его характеристики не соответствуют техническому заданию.

По этой причине инженерам, оценивающим работоспособность и соответствие характеристик, необходима возможность подстраивать напряжение источника питания в небольших пределах. Эта функция называется «подстройка» (margining в англоязычной литературе). В предыдущем примере напряжение питания ядра ПЛИС можно поднять, чтобы таким образом увеличить скорость обработки данных до необходимого уровня. Функция точной настройки может также улучшить результат в целом.

Так, например, стоит задача обеспечить напряжение питания 1,5 В при токе нагрузки 40 А. Нагрузка представляла собой 4 микросхемы ПЛИС. Нагрузка потребляла 60 Вт, которую нужно подавать через дорожки очень малой площади. Кроме того, было необходимо обеспечить минимальную высоту всей системы для улучшения условий отведения тепла. Источник питания должен был быть выполнен с помощью поверхностного монтажа и иметь максимально возможный КПД для уменьшения рассеиваемой мощности. Также требуется максимально простое решение, чтобы освободить время для разработки более сложных функциональных узлов. Помимо точных электрических характеристик, это решение должно соответствовать условию эффективного отвода тепла, получаемого в процессе преобразования мощности, чтобы таким образом можно было избежать перегрева микросхем и расположенных рядом с ними элементов. Итого, источник питания должен удовлетворять следующим требованиям:

  • Иметь очень низкий профиль для обеспечения улучшенного теплоотвода и предотвращения опасности перегрева компонентов.
  • Иметь высокий КПД для предотвращения рассеивания тепла на микросхеме.
  • Иметь возможность параллельной работы преобразователей для равномерного распределения тепла по площади печатной платы, чтобы таким образом ликвидировать точки локального перегрева и снизить требования по наличию теплоотвода.
  • Иметь высокую степень интеграции (содержать «на борту» контроллер, ключи, катушку индуктивности, конденсаторы и цепи компенсации) в корпусе для поверхностного монтажа.

Новинки в области разработки преобразователей

Новинки в этой области — это технически сложные приборы. Во-первых, они предназначены для поверхностного монтажа. Во-вторых, в них применено эффективное импульсное преобразование, точное распределение токов. В-третьих, они имеют корпус с малым тепловым сопротивлением, чтобы преобразовать мощность при минимальных требованиях к охлаждению. Благодаря низкому профилю и возможности параллельной работы такая система требует меньшего количества вентиляторов или допускает снижение скорости обдува, необходимо также применять радиаторы с меньшей площадью обдува (или даже вообще обойтись без них). Это способствует снижению стоимости системы, которая, кроме того, и потребляет меньше энергии для отвода тепла.

На рис. 1 изображена тестовая плата подобного устройства. Оно обеспечивает выходное напряжение 1,5 В при токе 40 А (48 А). Каждый черный «квадратик» — это импульсный преобразователь высокой степени интеграции в малогабаритном (15×15×2,8 мм) корпусе для поверхностного монтажа. Каждый микромодуль весит всего 1,8 г и выглядит как обычная микросхема, что позволяет производить автоматическую установку на плату при серийном производстве. На плате находится преобразователь серии uModule, которому нужно всего лишь несколько входных и выходных конденсаторов, а также несколько резисторов, что и показано на рис. 1.

 Тестовая плата

Рис. 1. Тестовая плата

Импульсный преобразователь серии uModule

Готовый источник питания в корпусе LGA

Преобразователь серии uModule LTM4601 — это высокоэффективный модуль питания, уменьшенный до размеров обычной микросхемы. Это полностью интегрированное решение, включающее в себя ШИМ-контроллер, катушку индуктивности, входные и выходные конденсаторы, полевые транзисторы с особо малым сопротивлением включения, диоды Шоттки и цепи компенсации. Для работы и установки выходного напряжения в пределах от 0,6 до 5 В нужны только входные и выходные конденсаторы, а также резистор. Источник питания на основе LTM4601 может обеспечить ток нагрузки до 12 А (если необходимо больше — есть возможность параллельной работы преобразователей) в широком диапазоне входных напряжений (от 4,5 до 20 В). Такое сочетание токов и напряжений делает LTM 4601 универсальной микросхемой. Совместимая с ней по выводам микросхема LTM4601HV позволяет расширить диапазон входного напряжения до 28 В.

Значительным преимуществом LTM4601 перед аналогичными микросхемами и системами питания является возможность дополнительно увеличивать токи нагрузки. Если необходимый ток нагрузки больше, чем может обеспечить один микромодуль, просто примените параллельное включение нескольких микромодулей. Разработка печатной платы системы питания на основе нескольких параллельных микромодулей не труднее операций «копировать/вставить», проводимой на компьютере: просто необходимо скопировать и вставить еще один рисунок печатной платы для дополнительного микромодуля. Проблемы правильности разводки печатной платы, в основном, уже решены внутри корпуса микромодуля: внешние катушки индуктивности, ключи и другие компоненты снаружи отсутствуют. Поэтому нет необходимости беспокоиться о правильности разводки монтажа.

Особенности работы микромодулей — это слежение за входным напряжением (tracking) и точная подстройка (margining). Высокая частота преобразования (обычно 850 кГц при полной нагрузке), постоянное время включения, драйверы без задержек обеспечивают быстрый отклик при изменении входных и выходных параметров с одновременным обеспечением стабильности выходного напряжения. Если требуется повышенная «чистота» выходного напряжения, можно применить внешнюю синхронизацию через встроенную петлю ФАПЧ.

Ток 48 А от четырех параллельных импульсных преобразователей

На рис. 2 показан преобразователь, состоящий из четырех включенных параллельно микромодулей LTM4601. Просто включите микромодули параллельно и увеличьте ток нагрузки. Разводка печатной платы сводится к копированию рисунка платы для одного микромодуля. Количество внешних компонентов при этом небольшое. Такой преобразователь может отдать в нагрузку 48 А (4×12 А). Все микромодули работают от внешнего генератора, сигнал которого подается на каждый микромодуль со сдвигом 90°, благодаря чему снижается амплитуда пульсаций входного и выходного токов (рис. 3). Управление работой каждого микромодуля сигналами, сдвинутыми на 90°, снижает пульсации входного и выходного токов, что позволяет уменьшить номинал входных и выходных конденсаторов. Подавление пульсаций таким способом снижает требования к допустимой реактивной мощности внешних конденсаторов, а также к их габаритам. Все это в целом снижает стоимость решения и уменьшает габариты.

 Преобразователь, состоящий из четырех включенных параллельно микромодулей LTM4601

Рис. 2. Преобразователь, состоящий из четырех включенных параллельно микромодулей LTM4601


 Диаграммы переключения для устройства, представленного на рис. 2

Рис. 3. Диаграммы переключения для устройства, представленного на рис. 2

Синхронизация и сдвиг фазы обеспечиваются с помощью генератора LTC6902, который содержит 4 выхода тактовых сигналов, каждый их которых сдвинут на 90° (установка сдвига фаз на 2 или 3 значения осуществляется на микросхеме LTC6902 с помощью внешнего резистора). Обеспечивая сдвиг фаз при синхронизации включенных параллельно микромодулей, можно снизить броски тока примерно на 20% в зависимости от скважности импульсов управления. Такое снижение, в свою очередь, уменьшает требования к входным и выходным конденсаторам. Входом для сигналов управления является вывод PLL IN (вход ФАПЧ) всех четырех микромодулей LTM4601.

Петля ФАПЧ микромодуля LTM4601 состоит из фазового детектора и ГУН, которые объединены для срабатывания по фронту сигнала внутреннего тактового генератора частотой 850 кГц. Петля ФАПЧ включается в работу при поступлении на вход PLL IN импульса длительностью не менее 400 нс и с амплитудой не менее 2 В, хотя она и не включается во время процедуры запуска. На рис. 3 показаны эпюры напряжения переключения параллельно включенных LTM4601.

Для установки выходного напряжения необходим только один резистор. При параллельном включении величина резистора зависит от количества параллельно работающих микромодулей. Это связано с тем, что суммарная величина резисторов обратной связи в этом случае изменяется. Опорное напряжение микромодуля LTM4601 составляет 0,6 В, а величина верхнего по схеме резистора обратной связи составляет 60,4 кОм. Таким образом, зависимость между выходным напряжением VOUT, установочным резистором RFB и количеством параллельно работающих модулей составляет:

Формула

где n — количество параллельно работающих модулей.

На рис. 4 показан график КПД системы во всем диапазоне токов нагрузки до 48 А. Система работает без каких-либо провалов на кривой КПД в широком диапазоне выходных напряжений.

 Высокий КПД четырех параллельно работающих микромодулей в широком диапазоне выходных напряжений

Рис. 4. Высокий КПД четырех параллельно работающих микромодулей в широком диапазоне выходных напряжений

Запуск, плавный запуск, распределение токов

Функция плавного запуска микромодуля LTM4601 уменьшает броски тока при переходных процессах за счет плавного нарастания выходного напряжения до заданной величины. Зависимость времени нарастания напряжения до заданного уровня VOUT и задающего время конденсатора CSS такова:

Формула

Например, конденсатор плавного запуска емкостью 0,1 мкФ обеспечивает нарастание напряжения в течение 8 мс (рис. 5) без возможности плавной регулировки. Управляемый плавный запуск важен для правильного включения ПЛИС или системы в целом. Распределение токов, протекающих в параллельно работающих конденсаторах, хорошо выровнено с помощью функции плавного нарастания выходного напряжения до номинального уровня. На рис. 6 показана кривая равномерно распределенного тока нагрузки при параллельном включении двух микромодулей LTM4601. Это важное преимущество для предотвращения локальных перегревов. Показаны два параллельно работающих LTM4601, ток которых возрастает до 10 А, что в сумме дает 20 А. Ток нагрузки плавно нарастает до номинального уровня 10 А, суммарно — до 20 А.

 Графики тока плавного запуска и нарастания напряжения  для четырех параллельно работающих микромодулей

Рис. 5. Графики тока плавного запуска и нарастания напряжения для четырех параллельно работающих микромодулей


 Равномерное распределение токов микромодулей

Рис. 6. Равномерное распределение токов микромодулей

Итак, микромодули представляют собой автономную систему питания высокой степени интеграции в виде микросхем. Низкий профиль, высокий КПД и возможность параллельной работы позволяют практически получить источник питания высокой мощности для цифровых систем нового поколения. Тепловые характеристики при токе нагрузки 48 А впечатляют хорошей выровненностью и плавным нарастанием напряжения. Легкость и простота этого решения уменьшает время разработки одновременно со снижением размеров печатной платы.

Тепловые характеристики и рисунок печатной платы

72 Вт с помощью четырех параллельно работающих микросхем

В первой части статьи мы обсудили схемотехнику и электрические характеристики компактного и низкопрофильного импульсного преобразователя 48 А/1,5 В для питания четырех ПЛИС. В этом преобразователе применено четыре микросхемы, работающих параллельно (рис. 1), что увеличивает ток нагрузки, равномерно распределяя его между микросхемами. Работоспособность данной схемы зависит от равномерности и точности распределения тока между всеми четырьмя микросхемами, таким образом предотвращается локальный перегрев за счет равномерного рассеивания мощности на компактной поверхности платы.

Каждый микромодуль представляет собой систему высокой степени интеграции со встроенной индуктивностью, ШИМ-контроллером, ключами, цепями компенсации, а также входными и выходными конденсаторами. Микромодуль занимает на плате всего 15×15 мм, а также имеет малую высоту (2,8 мм). Столь низкий профиль дает возможность продувать воздух по всей площади платы, надежно охлаждая все элементы схемы (рис. 7).

Распределение тепла

Рис. 7. Распределение тепла:
а) в преобразователе 48 А/1,5 В, изображенном на рис. 1;
б) в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с обдувом со скоростью потока 200 ЛФМ в направлении сбоку вверх;
в) в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с обдувом скоростью 400 ЛФМ в направлении справа налево в корпусе с внутренней температурой 50 °C;
в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с теплоотводом для BGA-корпусов и обдувом скоростью 400 ЛФМ в направлении справа налево в корпусе с внутренней температурой 75 °C

На рис. 7а показано равномерное распределение мощности между каждым микромодулем. Обратите внимание на малый перегрев даже без дополнительного обдува (входное напряжение 20 В, выходное 1,5 В, ток нагрузки 40 А). На рис. 7б показано распределение тепла в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с обдувом со скоростью потока 200 ЛФМ в направлении сбоку вверх (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 1,5 В, ток нагрузки 40 А). На рис. 7в демонстрируется распределение тепла в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с обдувом скоростью 400 ЛФМ в направлении справа налево в корпусе с внутренней температурой 50 °C (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 1 В, ток нагрузки 40 А). На рис. 7г можно видеть распределение тепла в четырех параллельно работающих микромодулях LTM4601 с теплоотводом для BGA-корпусов и обдувом скоростью 400 ЛФМ в направлении справа налево в корпусе с внутренней температурой 75 °C (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 1 В, ток нагрузки 40 А).

Более того, благодаря низкому профилю данное схемотехническое решение не отбрасывает «тепловую тень» на окружающие компоненты, что дополнительно улучшает тепловые характеристики всей системы.

Тепловые характеристики

Попытка уменьшить размер устройства на основе ПЛИС при одновременном росте функциональности, объема памяти и вычислительной мощности подтолкнула разработчиков системы к необходимости усовершенствования методов охлаждения компонентов. Одним из простых методов является обдув воздухом. Высокие компоненты ухудшают прохождение потока воздуха по менее высоким, например ПЛИС или микросхемам памяти. В случае использования готовых микросхем ухудшение обдува происходит интенсивно, так как их высота может составлять 6–10 размеров высоты ПЛИС и других микросхем.

Тонкий корпус BGA ПЛИС способствует эффективному отводу тепла от верхней части поверхности. Это преимущество уменьшается, если более высокая микросхема (например, импульсный преобразователь) замедляет движение воздуха, отбрасывая «тень» на соседнюю микросхему.

На рис. 7а показано распределение тепла на плате, представленной на рис. 1, с отметками температуры в отдельных точках. Маркеры 1–4 показывают примерную температуру на поверхности каждого микромодуля. Маркеры 5–7 — температуру на поверхности печатной платы. Нужно обратить внимание на разницу температур между двумя преобразователями, расположенными внутри (маркеры 1 и 2) и снаружи (маркеры 3 и 4). Рядом с микромодулями LTM4601, размещенными снаружи, расположены большие полигоны слева и справа, обеспечивающие отвод тепла и снижающие температуру микромодулей на несколько градусов. Микромодули, расположенные внутри, для отвода тепла имеют только небольшую площадь поверхности сверху и снизу, а следовательно, нагреваются сильнее, чем микромодули, расположенные снаружи.

Скорость воздушного потока имеет серьезное влияние на тепловой баланс всей системы. Видна разница температур на рис. 7б, в. На рис. 7б изображено охлаждение со скоростью потока 200 ЛФМ, протекающего снизу вверх по печатной плате. Такое охлаждение снижает перегрев на 20 °C по сравнению со случаем полного отсутствия обдува.

Направление воздушного потока также имеет значение. На рис. 7г изображена ситуация, когда поток движется справа налево, передавая тепло от одного микромодуля другому, при этом возникает эффект сложения. Микромодуль, расположенный справа, является ближайшим к источнику воздушного потока, а потому и самым холодным. Микромодуль, расположенный слева, имеет несколько бoльшую температуру из-за воздействия температуры других микромодулей, расположенных рядом.

Нагрев печатной платы также зависит от скорости обдува. На рис. 7б показано, что тепло передается равномерно к левой и правой части печатной платы. На рис. 7в можно видеть, что зона перегрева передвинута в левую часть. На рис. 7г показан наиболее трудный случай передачи тепла от одного микромодуля к другому. Каждый из четырех микромодулей снабжен теплоотводом для BGA-корпусов, и вся плата работает в корпусе с температурой окружающей среды 75 °C.

Рисунок печатной платы, удобный для копирования

Дополнительный отвод тепла можно обеспечить увеличением количества сквозных отверстий с металлизацией в плате, располагая их под микромодулями. Сквозные отверстия обеспечивают путь к силовым плоскостям/дорожкам сквозь плату, что позволяет отводить тепло. Они не должны располагаться непосредственно под подложками. На рис. 8 показан рисунок печатной платы со сквозными отверстиями на демо-плате DC1043A. Пересекающие отметки соответствуют сквозным отверстиям между подложками для LGA-корпусов.

 Применение сквозных металлизированных отверстий для отвода тепла

Рис. 8. Применение сквозных металлизированных отверстий для отвода тепла

Сам по себе рисунок печатной платы с параллельно работающими микромодулями относительно прост, тем не менее есть несколько особенностей, обусловленных принципом работы схемы. Но если основной целью разработки является минимизация площади печатной платы, основной проблемой становится отвод тепла. Следовательно, ключевые параметры в данном случае — это размещение компонентов, металлизация отверстий, обдув и расположение и количество полигонов печатной платы.

Микромодуль LTM4601 имеет относительно редко применяемый корпус LGA, обеспечивающий надежный тепловой контакт с печатной платой, что улучшает отвод тепла. Такой корпус сам по себе упрощает разводку силовых и других областей печатной платы, как это показано на рис. 7. С помощью сквозных металлизированных отверстий происходит отвод тепла от силовых областей внутрь платы, тем самым тепло отводится от микросхемы (рис. 8). Размещение контактных площадок на микромодуле LTM4601 таково, что обеспечивается простое размещение силовых областей печатной платы и возможность параллельной работы относительно простыми методами (принцип «скопировал — добавил») (рис. 9).

 Размещение контактных площадок на микромодуле LTM4601

Рис. 9. Размещение контактных площадок на микромодуле LTM4601

Нетрудно осуществить разводку печатной платы для четырех параллельно работающих микромодулей (рис. 10). Если разводка печатной платы осуществлена правильно, корпус LGA и силовые области печатной платы сами по себе могут обеспечить необходимый теплоотвод.

Расположение областей и дорожек: а) в верхней части платы (рис. 1); б) в нижней части платы (рис. 1)

Рис. 10. Расположение областей и дорожек:
а) в верхней части платы (рис. 1); б) в нижней части платы (рис. 1)

Заключение

Преобразование мощности примерно 60 Вт при небольших габаритах без эффективных мер по отводу тепла от источника питания осложняет и без того трудную задачу распределения и отвода тепла. При разработке серии импульсных преобразователей uModule особое внимание было уделено расположению встроенных компонентов, типу корпуса и электрическим режимам, что улучшает распределение и отвод тепла от преобразователя столь высокой степени интеграции. Корпус LGA и простая компоновка позволяют выполнить низкопрофильное устройство со 100%-ным поверхностным монтажом, чтобы таким образом добиться максимально эффективного отвода тепла при обдуве. Новое достижение в разработке устройств электропитания позволяет использовать при разработке печатной платы копирование областей печатной платы при разработке эффективного и надежного источника питания мощностью 60 Вт с минимальным числом навесных компонентов в компактном низкопрофильном корпусе.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке