¿Puedo crear un "polígono de cobre" en la parte trasera del nodo de conmutación en un SMPS?

Primeros comentarios:

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

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

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

4. La parte inferior del IC (en MSOP, que es lo que parece estar usando su PCB) tiene una almohadilla expuesta que debe conectarse a un plano de tierra grande para la disipación térmica. Este dispositivo no tiene MOSFET integrados, pero los propios controladores MOSFET disipan energía y deben enfriarse. Si no está utilizando la parte con la almohadilla expuesta, ¡debería hacerlo! Siempre es mejor tener más refrigeración de la que pueda necesitar. Dado que está manejando dos MOSFET, el controlador hará bastante trabajo. (En su esquema, la plataforma expuesta no tiene conexión: debería ir a su vertido de tierra del lado inferior con vías en la plataforma).

5. Desde una perspectiva de EMI, ya ha hecho lo más importante de mantener su circuito de control alejado de sus rutas de alimentación. Una isla aislada para el enfriamiento de diodos no debería hacer cosas malas, ya que no veo que cambie apreciablemente las dimensiones de los bucles. Un dólar de conmutación dura 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 un dólar sincrónico 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 CC máxima de 4,1 A que puede manejar su inductor de salida. No invertí ninguno de tus cálculos para resolver esto yo mismo, demasiado cansado esta mañana :)

7. Realmente debería tener algún tipo de protección contra sobretensiones de salida. Idealmente, desea una palanca SCR, en caso de que tenga una falla de MOSFET en serie. El SCR sujeta la entrada de CC y quema el fusible (que debe agregar según el n.° 1) mientras evita que los componentes posteriores exploten o se incendien debido a que reciben 9-15 V en lugar de 5 V. También lo protege si su retroalimentación se abre (pieza faltante o defectuosa, mala soldadura, etc.)

(Me disculpo por una segunda respuesta, pero el autor de la pregunta pidió 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 compuerta separadas: cuando comienza a conducir corriente en una compuerta MOSFET, se comporta como un capacitor y el voltaje aumenta de manera constante. En cierto punto (la región de meseta), el voltaje deja de aumentar temporalmente y el interruptor pasa de no conducir a conducir. Durante este tiempo, el voltaje del nodo de conmutación cambia de 0 a Vin, y la corriente de activación de la compuerta va a cargar la capacitancia del molinero. Esta es la región donde se incurre en la mayoría de las pérdidas de conmutación, ya que 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 puerta continúa aumentando y se acerca al voltaje con el que lo está manejando.

Con las puertas de 2 MOSFET bloqueadas juntas, las está obligando a tener el mismo voltaje de puerta instantáneo. Como no hay 2 MOSFET iguales (diferencias de geometría de diseño Y fabricación precisas), sus voltajes de umbral/meseta nunca serán exactamente los mismos. Como resultado, el MOSFET A alcanzará su meseta primero y experimentará toda la pérdida de conmutación del circuito, mientras que el MOSFET B se quedará allí sin conducir nada porque todavía está apagado. Luego, una vez que termina la meseta del MOSFET A, el MOSFET B alcanza su voltaje límite 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 puerta 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 puerta del MOSFET B continuará aumentando y pronto contribuirá al interruptor en términos de descargar la capacitancia parásita de su nodo de conmutación. Personalmente, aprendí esto de la manera más difícil a través de un producto que estaba dentro de sus límites térmicos en nuestro laboratorio, pero de alguna manera tenía fallas misteriosas en el campo. Este era el problema.

Ya ha obtenido algunas buenas respuestas, así que solo agregaré un problema que otros no han mencionado.

Intentaría mantener las corrientes inmediatas en el bucle del inductor - diodo - tapa fuera del plano de tierra principal. Esa corriente es sustancial y con componentes de alta frecuencia. También me gustaría incluir la tapa de entrada frente al interruptor para esto también. Cablee todas estas partes juntas en un bucle apretado, luego conecte el nodo de tierra de ese bucle a la tierra principal de modo que la corriente del bucle no cruce el plano de tierra. Solo la corriente neta de entrada o salida debe pasar por 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 atraviesa el plano de tierra, tiene una antena de parche con alimentación central.

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

Además, toma nota especial de la sugerencia #2 de madmanguruman.