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如何平衡DC/DC轉(zhuǎn)換器的散熱、EMI、封裝?

發(fā)布時間:2020-03-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】現(xiàn)今這個競爭激烈的時代,產(chǎn)品設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是:不僅要緊跟同行步伐,而且要保持領(lǐng)先群雄的地位。這就對那些欲借助差異化產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計人員提出了更高的要求。
   
現(xiàn)今這個競爭激烈的時代,產(chǎn)品設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是:不僅要緊跟同行步伐,而且要保持領(lǐng)先群雄的地位。這就對那些欲借助差異化產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計人員提出了更高的要求。
 
創(chuàng)新的一種重要方法是使用高密度設(shè)計。為推出占位面積更小的解決方案,電源系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在正集中研究功率密度(一個功率轉(zhuǎn)換器電路每單位面積或體積的輸出功率)的問題。
 
高密度直流/直流(dcdc)轉(zhuǎn)換器印刷電路板(pcb)布局最引人矚目的范例涉及功率級組件的放置和布線。精心的布局可同時提高開關(guān)性能、降低組件溫度并減少電磁干擾(EMI)信號。
 
請細(xì)看圖1中的功率級布局和原理圖。
 
如何平衡DC/DC轉(zhuǎn)換器的散熱、EMI、封裝?
圖1:四開關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器功率級布局和原理圖
 
由此看來,這些都是設(shè)計高密度dcdc轉(zhuǎn)換器時所面臨的挑戰(zhàn):
 
組件技術(shù)
組件技術(shù)的進(jìn)步是降低整體功耗的關(guān)鍵,尤其在較高的開關(guān)頻率下對濾波器無源組件的尺寸減小更是至關(guān)重要。
 
例如,功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)已見證了硅芯片和封裝方面的一致進(jìn)展,其中最值得注意的是采用了極少出現(xiàn)寄生現(xiàn)象的氮化鎵(GaN)功率器件。
 
與此同時,磁性組件的性能也得到了單獨提升,雖然其速度可能落后于功率半導(dǎo)體組件的性能提升速度。
 
憑借控制集成電路(IC)的謹(jǐn)慎布局(集成式自適應(yīng)柵極驅(qū)動器靠近MOSFET),在很多情況下無需再用功率耗散緩沖器或柵極電阻器組件進(jìn)行開關(guān)節(jié)點電壓轉(zhuǎn)換速率的調(diào)整。
 
散熱設(shè)計
雖然高密度布局一般有利于提升轉(zhuǎn)換效率,但它可能會形成一個散熱性能瓶頸。要在更小的占位空間內(nèi)實現(xiàn)相同功耗的想法變得站不住腳。
 
組件溫度攀升會使較高的故障率和可靠性問題更嚴(yán)重。把外形較纖薄的功率MOSFET放置在pcb頂部(不會被電感器和電解電容器等較厚的組件遮蔽氣流)有助于通過對流氣流提高散熱性能。
 
就圖1中的轉(zhuǎn)換器而言,電感器和電解電容器被特意放在了多層pcb的底部,因為如果置于頂部,它們會妨礙熱傳遞。
 
抗EMI性能
EMI合規(guī)性是產(chǎn)品設(shè)計周期中的一個重要里程碑。高密度設(shè)計通常沒有多少可用于EMI濾波的空間。但嚴(yán)密的布局可改善輻射發(fā)射狀況,并對傳送進(jìn)來的干擾產(chǎn)生更強的抵御能力。
 
兩個基本步驟是:最大限度地減少載有大di/dt電流的環(huán)路面積(見圖1中的白色電流路徑),并縮減具有高dv/dt電壓的表面積(見圖1中的覆銅多邊形SW1和SW2)。
 
高密度pcb設(shè)計流程
顯然,對電源系統(tǒng)設(shè)計人員來說,培養(yǎng)和磨礪自己的pcb設(shè)計技能非常重要。盡管布局的職責(zé)往往會委托給布局專家,但工程師仍承擔(dān)著審查設(shè)計并且非正式批準(zhǔn)它的最終責(zé)任。
 
DC/DC 轉(zhuǎn)換器pcb設(shè)計流程的基本步驟:
1. 選擇pcb結(jié)構(gòu)和層疊規(guī)范。
2. 從原理圖中找出大di/dt電流環(huán)路和高dv/dt電壓節(jié)點。
3. 進(jìn)行功率級組件的布局和放置。
4. 放置控制IC并完成控制部分布局。
5. 進(jìn)行關(guān)鍵的跟蹤布線,包括MOSFET柵極驅(qū)動、電流檢測和輸出電壓反饋。
6. 設(shè)計電源和接地(GND)層。
 
在電路板上具有戰(zhàn)略意義的位置靈活部署轉(zhuǎn)換器的能力也很重要 —— 以大電流負(fù)載點(POL)模塊為例,處于鄰近負(fù)載的最佳位置可降低導(dǎo)通壓降并改善負(fù)載瞬態(tài)性能。
 
請細(xì)看圖2中外形微縮的降壓型轉(zhuǎn)換器的功率級布局。作為一個嵌入式POL模塊實施方案,它采用了一個全陶瓷電容器設(shè)計、一個高效屏蔽式電感器、若干垂直堆疊的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、一個電壓模式控制器以及一個具有2盎司覆銅的六層pcb。
 
如何平衡DC/DC轉(zhuǎn)換器的散熱、EMI、封裝?
圖2:25A同步降壓型轉(zhuǎn)換器pcb布局和實施方案
 
本設(shè)計的主要原則是實現(xiàn)高功率密度和低材料清單(BOM)成本。它總共占用的pcb面積為2.2cm2(0.34in2),每單位面積產(chǎn)生的有效電流密度為11.3A/cm2(75A/in2)。3.3V輸出時每單位體積的功率密度為57W/in2(930W/in3)。
 
為達(dá)到高功率密度,通常的做法是增加開關(guān)頻率。相比之下,您可通過具有戰(zhàn)略意義的組件選擇來實現(xiàn)小型化,同時保持300kHz的較低開關(guān)頻率,旨在減少MOSFET開關(guān)損耗和電感器磁芯損耗等與頻率成比例的損失。表1列出了本設(shè)計的基本組件。
 
如何平衡DC/DC轉(zhuǎn)換器的散熱、EMI、封裝?
表1:POL模塊組件、封裝大小和推薦的焊盤尺寸 
 
高密度pcb設(shè)計的價值主張
 
顯然,pcb是一個設(shè)計中的重要(有時是最昂貴的)組件。為高密度dcdc轉(zhuǎn)換器精心策劃并認(rèn)真實施的pcb布局的價值主張在于:
 
在空間受限型設(shè)計(縮減的解決方案體積和占位面積)中實現(xiàn)更多的功能。
 
減小開關(guān)環(huán)路的寄生電感,有助于:
 
減少功率MOSFET電壓應(yīng)力(開關(guān)節(jié)點電壓尖峰)和鳴響,降低開關(guān)損耗,減少電磁干擾(EMI)、磁場耦合和輸出噪聲信號,額外的容限可確保在輸入軌瞬態(tài)電壓干擾中安然無恙(特別是在寬VIN范圍的應(yīng)用里),增加可靠性和穩(wěn)健性(降低組件溫度)。
 
通過縮小pcb、減少濾波組件并去除緩沖器來節(jié)約成本,與眾不同的設(shè)計可提供競爭優(yōu)勢、贏得客戶關(guān)注并增加收入。
 
公平地說,pcb布局可決定一個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器最終實現(xiàn)的性能。當(dāng)然,不必花無數(shù)個小時為EMI、噪聲、信號完整性以及與較差布局相關(guān)的其它問題進(jìn)行調(diào)試,這會讓設(shè)計人員感到非常高興。
 
(轉(zhuǎn)載自:貿(mào)澤工程師社區(qū),來源:EDA365電子論壇)

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