¿Puedo crear un “polígono de cobre” en la parte trasera del nodo del conmutador en una SMPS?

Primeros comentarios:

1. Agrega un fusible. Si la polaridad de entrada se invierte accidentalmente, su pequeño diodo cerca de la entrada sujetará la entrada y quemará.

2. No es una buena idea unir las compuertas de sus interruptores directamente cuando se maneja con PWM, ya que las capacidades de las compuertas pueden interactuar entre sí. Para diseños de fuente de alimentación de frecuencia razonablemente baja, esto se puede arreglar con una resistencia de serie pequeña (10 ohmios) cerca de cada compuerta. Microsemi tiene una nota de aplicación sobre la oscilación de la puerta parasitaria que explica el problema bastante bien.

3. Los condensadores de cerámica deben reducirse en un 60-70% para el voltaje. (Es decir, no use tapas de 16V en una salida de 12V - use 25V). También tenga en cuenta que el material dieléctrico es importante: los condensadores X7R / X5R pierden tanto al 50% de su capacidad nominal cuando su polarización de CC se aproxima a la calificación de la pieza. Los dieléctricos C0G y U2J son en gran medida inmunes a esto. Kemet tiene un nota de la aplicación que menciona este (y otros) problemas con MLCCs.

4. La parte inferior del IC (en MSOP, que es lo que su PCB parece estar usando) tiene una almohadilla expuesta que debe estar conectada a un plano de tierra grande para la disipación térmica. Este dispositivo no tiene MOSFET integrados, pero los propios controladores MOSFET disipan la energía y necesitan ser enfriados. Si no está utilizando la parte con la almohadilla expuesta, ¡debería hacerlo! Siempre es mejor tener más enfriamiento del que pueda necesitar. Ya que estás conduciendo dos MOSFET, el conductor estará haciendo un poco de trabajo. (En su esquema, la almohadilla expuesta no está conectada, debe ir a la parte inferior del suelo con las vías en la almohadilla).

5. Desde una perspectiva EMI, ya has hecho lo más importante de mantener tus circuitos de control lejos de tus rutas de poder. Una isla aislada para el enfriamiento de diodos no debería hacer cosas malas, ya que no veo que cambie de forma apreciable las dimensiones de los bucles. Un dólar con cambio brusco generará EMI sin importar lo que haga, y su diodo tendrá pérdidas. (Si el costo no es un gran problema, las ganancias que obtiene de una inversión sincrónica en términos de pérdida de energía en el interruptor inferior frente a un diodo valen la inversión adicional).

6. Asegúrese de que su límite de apagado por sobrecorriente esté por debajo de la corriente de CC máxima de 4.1A que su inductor de salida pueda manejar. No revertí ninguno de tus cálculos para resolver esto por mí mismo, demasiado cansado esta mañana :)

7. Realmente debería tener algún tipo de protección de sobretensión de salida. Lo ideal es que usted quiera una palanca SCR, en caso de que tenga una falla de serie MOSFET. El SCR sujeta la entrada de CC y quita el fusible (que debe agregar según el n. ° 1) al tiempo que evita que sus componentes aguas abajo se incendien o se incendien debido a la recepción de 9-15 V en lugar de 5 V. También lo protege a usted si sus comentarios se vuelven abiertos (parte faltante o defectuosa, mala soldadura, etc.)

(Pido disculpas por una segunda respuesta, pero el autor de la pregunta solicitó una explicación sobre un comentario que no encajaría en un comentario)

Con respecto al uso de múltiples interruptores en paralelo sin resistencias de accionamiento de puerta separadas: Cuando comienza a conducir corriente a una puerta MOSFET, si se comporta como un condensador y el voltaje aumenta constantemente. En cierto punto (la región de la meseta), el voltaje deja de aumentar temporalmente y el interruptor en realidad pasa de no conducir a conducir. Durante este tiempo, el voltaje del nodo de conmutación cambia de 0 a Vin, y la corriente del controlador de la puerta va a cargar la capacitancia del molinero. Esta es la región donde se incurre en la mayoría de las pérdidas de conmutación, ya que brevemente tiene voltaje y corriente simultáneamente. Después de la meseta, el MOSFET está encendido, el voltaje del nodo de conmutación ha llegado a Vin, y el voltaje de la fuente de la compuerta continúa aumentando y se aproxima al voltaje con el que lo está conduciendo.

Con las puertas de 2 MOSFET bloqueadas juntas, las obliga a tener el mismo voltaje de puerta instantáneo. Como no hay 2 MOSFET iguales (por lo que se refiere a la fabricación y las diferencias de geometría de diseño precisos), sus voltajes de umbral / meseta nunca serán exactamente iguales. Como resultado, el MOSFET A alcanzará su meseta primero y experimentará toda la pérdida de conmutación del circuito, mientras que el MOSFET B permanecerá allí sin conducir nada porque todavía está apagado. Luego, una vez que termina la meseta del MOSFET A, el MOSFET B alcanza su voltaje de retención y se enciende muy rápidamente, ya que ya no tiene ningún voltaje de fuente de drenaje para cambiar. Entonces, básicamente, solo un MOSFET está cambiando bajo voltaje, e incurre en casi el 100% de la pérdida de conmutación.

La solución fácil es colocar pequeñas resistencias entre el controlador de la compuerta y cada MOSFET (como un rango de 10 ohmios). De esta manera, el MOSFET A puede comenzar su meseta primero, pero el voltaje de la compuerta del MOSFET B continuará aumentando y pronto estará contribuyendo al interruptor en términos de descargar la capacidad parásita de su nodo de conmutación. Personalmente aprendí esto de la manera difícil a través de un producto que estaba dentro de sus límites térmicos en nuestro laboratorio, pero de alguna manera tuvo fallas misteriosas en el campo. Este fue el problema.

Obviamente, solo la prueba de su diseño exacto le dirá con seguridad, pero no creo que sea necesario reforzar su nodo conmutado para la conducción. Dejaría el plano de tierra bajo esa región por razones de EMI (el nodo de conmutación a la capacitancia de tierra actuará como un amortiguador natural). Además, suponiendo que 1 oz de cobre, no debería sufrir por la capacidad actual en ese rastro ya enorme / corto. Y, por último, el plano cosido podría agregar un disipador térmico a su diodo o inductor, pero no a su interruptor. Por otro lado, observaría la temperatura en sus interruptores y consideraría agregar vías y el plano de la capa inferior para la disipación de calor en el lado izquierdo de sus interruptores.

También, tome nota especial de la sugerencia # 2 de madmanguruman.

Ya obtuviste algunas buenas respuestas, por lo que solo agregaré un problema que otros no hayan mencionado.

Intentaría mantener las corrientes inmediatas en el bucle del inductor - diodo - tapa fuera del plano principal de tierra. Esa corriente es sustancial y con componentes de alta frecuencia. También me gustaría incluir la tapa de entrada delante del interruptor para esto también. Conecte todas estas partes juntas en un circuito cerrado, luego conecte el nodo de tierra de ese circuito a la tierra principal de manera que la corriente del circuito no cruce el plano de tierra. Solo la corriente de entrada o salida de la red debe pasar a través de la conexión al plano de tierra. Esto minimiza la corriente en el plano de tierra, lo que mantiene su voltaje más constante. Cuando la corriente de alta frecuencia corre a través del plano de tierra, tiene una antena de parche alimentada por el centro.