Могу ли я создать «медный многоугольник» с обратной стороны коммутационного узла в SMPS?

Первые комментарии:

1. Добавьте предохранитель. Если полярность входа случайно изменена, ваш маленький диод возле входа зажмет вход и сгорит.

2. Не рекомендуется напрямую связывать затворы переключателей при ШИМ-управлении, поскольку емкости затворов могут взаимодействовать друг с другом. Для низкочастотных источников питания это можно исправить с помощью небольшого последовательного резистора (10 Ом) рядом с каждым затвором. У Microsemi есть примечание к приложению о паразитных колебаниях затвора , которое довольно хорошо объясняет проблему.

3. Керамические конденсаторы должны быть снижены на 60-70% по напряжению. (т.е. не используйте конденсаторы 16В на выходе 12В - используйте 25В). Также имейте в виду, что диэлектрический материал важен - конденсаторы X7R / X5R теряют столько же при 50% их номинальной емкости, сколько их смещение по постоянному току приближается к номиналу детали. Диэлектрики C0G и U2J в значительной степени невосприимчивы к этому. У Kemet есть примечание к приложению, в котором упоминаются эти (и другие) ошибки с MLCC.

4. Нижняя часть микросхемы (в MSOP, которую, по-видимому, использует ваша печатная плата) имеет открытую площадку, которая должна быть подключена к большой заземляющей пластине для рассеивания тепла. В этом устройстве нет встроенных МОП-транзисторов, но сами драйверы МОП-транзисторов рассеивают мощность и нуждаются в охлаждении. Если вы не используете часть с открытой площадкой, вы должны это сделать! Всегда лучше иметь больше охлаждения, чем вам может понадобиться. Поскольку вы управляете двумя полевыми МОП-транзисторами, драйвер будет выполнять значительную часть работы. (На вашей схеме открытая контактная площадка не предназначена для подключения - она ​​должна идти к нижней стороне заземления с переходными отверстиями на контактной площадке).

5. С точки зрения электромагнитных помех вы уже сделали самое важное — убрали свои схемы управления подальше от силовых цепей. Изолированный остров для охлаждения диодов не должен делать плохих вещей, поскольку я не вижу, чтобы он заметно менял размеры контура. Понижающий преобразователь с жестким переключением будет генерировать электромагнитные помехи независимо от того, что вы делаете, и ваш диод будет с потерями. (Если стоимость не является большой проблемой, выигрыш, который вы получаете от синхронного понижающего преобразователя с точки зрения потерь мощности в нижнем переключателе по сравнению с диодом, стоит дополнительных инвестиций.)

6. Убедитесь, что ваш предел отключения при перегрузке по току ниже максимального постоянного тока 4,1 А, который может выдержать ваша выходная катушка индуктивности. Я не отменял ни один из ваших расчетов, чтобы понять это сам - слишком устал этим утром :)

7. У вас действительно должна быть какая-то защита от перенапряжения на выходе. В идеале вам нужен лом SCR, на случай, если у вас произошел сбой серии MOSFET. SCR зажимает вход постоянного тока и перегорает предохранитель (который вам нужно добавить в соответствии с # 1), предотвращая при этом взрыв / возгорание всех ваших последующих компонентов из-за получения 9-15 В вместо 5 В. Кроме того, он защитит вас, если ваша обратная связь станет открытой (отсутствует или неисправна деталь, плохая пайка и т. д.).

(Прошу прощения за второй ответ, но спрашивающий попросил уточнить комментарий, который не помещается в комментарий)

Что касается параллельного использования нескольких переключателей без отдельных резисторов управления затвором: когда вы начинаете подавать ток на затвор MOSFET, он ведет себя как конденсатор, и напряжение постоянно растет. В определенный момент (область плато) напряжение временно перестает расти, и переключатель фактически переходит из непроводящего в проводящее. За это время напряжение коммутационного узла колеблется от 0 до Vin, а ток управления затвором идет на зарядку емкости миллера. Это область, в которой происходит большинство коммутационных потерь, поскольку у вас кратковременно есть напряжение и ток одновременно. После плато MOSFET включен, напряжение узла переключения достигло Vin, а напряжение затвор-исток продолжает расти и приближается к напряжению, с которым вы его управляете.

Когда затворы двух полевых МОП-транзисторов заперты вместе, вы заставляете их иметь одинаковое мгновенное напряжение затвора. Поскольку нет двух одинаковых полевых МОП-транзисторов (различия в производстве и точной геометрии схемы), их пороговое/плато-напряжение никогда не будет точно таким же. В результате MOSFET A первым выйдет на плато и испытает все потери при переключении цепи, в то время как MOSFET B остается там, ничего не проводя, потому что он все еще выключен. Затем, после того, как плато MOSFET A закончилось, MOSFET B достигает своего порогового напряжения и очень быстро включается, поскольку у него больше нет напряжения сток-исток для переключения. Таким образом, в основном только один полевой МОП-транзистор переключается под напряжением и несет почти 100% потерь при переключении.

Простое решение состоит в том, чтобы поместить небольшие резисторы между вашим драйвером затвора и каждым MOSFET (например, в диапазоне 10 Ом). Таким образом, MOSFET A может начать свое плато первым, но напряжение затвора MOSFET B будет продолжать расти, и вскоре оно будет способствовать переключению с точки зрения разрядки паразитной емкости вашего коммутационного узла. Я лично убедился в этом на собственном горьком опыте с продуктом, который хорошо выдержал свои температурные ограничения в нашей лаборатории, но каким-то образом имел загадочные сбои в полевых условиях. В этом была проблема.

Вы уже получили несколько хороших ответов, поэтому я добавлю только один вопрос, который другие не поднимали.

Я бы попытался удержать непосредственные токи в петле индуктор-диод-колпачок от основного заземляющего слоя. Этот ток является существенным и с высокочастотными компонентами. Я также хотел бы включить входной колпачок перед переключателем для этого. Соедините все эти части вместе в плотную петлю, затем соедините заземляющий узел этой петли с основной землей так, чтобы ток петли не пересекал плоскость заземления. Только чистый входной или выходной ток должен проходить через соединение с заземляющей пластиной. Это минимизирует ток на заземляющем слое, что сохраняет его напряжение более постоянным. Когда высокочастотный ток проходит через заземляющий слой, у вас есть патч-антенна с центральным питанием.

Очевидно, что только тестирование вашего точного макета скажет вам наверняка, но я не думаю, что усиление вашего коммутируемого узла для проводимости необходимо. Я бы оставил заземляющий слой под этой областью из-за электромагнитных помех (узел переключения на емкость земли будет действовать как естественный демпфер). Кроме того, предполагая 1 унцию меди, вы не должны страдать от текущей емкости на этой и без того огромной / короткой трассе. И, наконец, сшитая плоскость может добавить теплоотвод к вашему диоду или индуктору, но не к вашему переключателю. Я бы, с другой стороны, следил за температурой на ваших коммутаторах и рассматривал возможность добавления переходных отверстий и плоскости нижнего слоя для отвода тепла с левой стороны ваших коммутаторов.

Кроме того, обратите особое внимание на предложение № 2 от madmanguruman.