【導(dǎo)讀】開關(guān)模式電源（開關(guān)電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠鋺?yīng)用已經(jīng)延伸到新的領(lǐng)域。最明顯的是，其高頻切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。此外，導(dǎo)致 EMI 的因素同樣也會(huì)降低效率，從而削弱開關(guān)電源關(guān)鍵的能效優(yōu)勢(shì)。
開關(guān)模式電源（開關(guān)電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠鋺?yīng)用已經(jīng)延伸到新的領(lǐng)域。最明顯的是，其高頻切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。此外，導(dǎo)致 EMI 的因素同樣也會(huì)降低效率，從而削弱開關(guān)電源關(guān)鍵的能效優(yōu)勢(shì)。
為了避免這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員在配置“熱回路”（電源電路中發(fā)生快速開關(guān)的部分）時(shí)必須特別小心。將等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL) 造成的熱回路寄生損耗降至最低至關(guān)重要。這可以通過(guò)選擇高度集成的電源元件和精心設(shè)計(jì)的印刷電路板（PC 板）布局來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本文將介紹熱回路和寄生損耗來(lái)源，具體包括耦合電容器、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和電路板過(guò)孔等。然后會(huì)展示 Analog Devices 的高集成度電源轉(zhuǎn)換器實(shí)例，并介紹各種電路板布局及其對(duì)寄生參數(shù)的影響。最后還介紹了降低 ESR 和 ESL 的實(shí)用技巧。
開關(guān)電源熱回路基本原理
任何涉及快速開關(guān)電流的電源設(shè)計(jì)，如升壓、降壓升壓和反激式轉(zhuǎn)換器，都會(huì)出現(xiàn)高頻開關(guān)電流熱回路。這個(gè)概念可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)明（圖 1）。左側(cè)的回路（紅色）包含所有開關(guān)元件；電路產(chǎn)生的高頻電流包含在其中，并形成熱回路。
圖 1：一個(gè)簡(jiǎn)化的降壓轉(zhuǎn)換器說(shuō)明了熱回路（紅框）的原理。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
“熱”是因?yàn)殡娐返倪@一區(qū)域進(jìn)行著大量的能量轉(zhuǎn)換和開關(guān)活動(dòng)，而這些活動(dòng)往往伴隨著熱量的產(chǎn)生。對(duì)這些熱回路進(jìn)行合理布局和設(shè)計(jì)對(duì)于最大限度地減少 EMI 和確保電源的高效運(yùn)行至關(guān)重要。
圖 2 中更為現(xiàn)實(shí)的電路是一個(gè) DC-DC 同步降壓轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)熱回路中，物理元件（標(biāo)為黑色）是輸入電容器 (CIN) 和開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)（M1 和 M2）。
圖 2：真實(shí)世界的熱回路不可避免地包含寄生參數(shù)（以紅色顯示）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
熱回路中的寄生參數(shù)用紅色標(biāo)出。ESL 通常在納亨 (nH) 范圍內(nèi)，而 ESR 則在毫歐 (mΩ) 范圍內(nèi)。高頻開關(guān)會(huì)導(dǎo)致 ESL 內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)振蕩，從而產(chǎn)生電磁干擾。儲(chǔ)存在 ESL 中的能量會(huì)被 ESR 消散，從而導(dǎo)致功率損耗。
利用集成元件可將寄生參數(shù)降至最低
這些寄生阻抗（ESR、ESL）會(huì)出現(xiàn)在元件內(nèi)部和熱回路電路板印制線上。為了盡量減少這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)選擇元件并優(yōu)化電路板布局。
實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的方法之一就是使用集成元件。這些集成元件消除了連接分立元件所需的電路板印制線，同時(shí)減少了熱回路的總面積。兩者都有助于減少寄生阻抗。
Analog Devices 的 LTM4638 降壓型 μModule 穩(wěn)壓器就是高集成度元件的一個(gè)極佳實(shí)例。如圖 3 所示，這款 15 安培 (A) 開關(guān)穩(wěn)壓器集成了開關(guān)控制器、功率 FET、電感器和支持元件，全部封裝在一個(gè) 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米的微型封裝內(nèi)。
圖 3：LTM4638 μModule 穩(wěn)壓器集成了降壓轉(zhuǎn)換器所需的許多元件。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
LTM4638 還具有其他幾項(xiàng)功能，可減少寄生損耗。具體包括：
· 快速瞬態(tài)響應(yīng)：這可以使穩(wěn)壓器根據(jù)負(fù)載或輸入的變化快速調(diào)整輸出電壓，并通過(guò)快速過(guò)渡到次優(yōu)工作狀態(tài)，最大限度地縮短寄生損耗的持續(xù)時(shí)間并降低其影響。
· 斷續(xù)模式運(yùn)行：這允許電感器電流在下一個(gè)開關(guān)周期開始前降至零。這種模式通常在輕負(fù)載條件下使用，通過(guò)在部分周期內(nèi)使電感器斷電，從而減少電感器的開關(guān)和鐵損。
· 輸出電壓跟蹤：這能夠讓轉(zhuǎn)換器輸出跟蹤參考輸入電壓。該功能通過(guò)精確控制輸出電壓的升降，降低了可能加劇寄生損耗的過(guò)沖或欠沖的可能性。
通過(guò)元件布局將寄生參數(shù)降至最低
使用 LTM4638 構(gòu)建同步降壓轉(zhuǎn)換器需要分別添加散裝的輸入和輸出電容器 CIN 和 COUT。這些電容器的位置選擇會(huì)對(duì)寄生參數(shù)產(chǎn)生重大影響。
Analog Devices 使用針對(duì) LTM4638 的 DC2665A-B 評(píng)估板進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了 CIN 位置選擇的影響。后來(lái)，DC2665B-B 取代了該評(píng)估板，但原理仍適用。圖 4 至圖 6 展示了 CIN 的三種不同布局和相應(yīng)的熱回路。垂直熱回路 1（圖 4）和 2（圖 5）分別將 CIN 放在底層穩(wěn)壓器的正下方或側(cè)面。水平熱回路（圖 6）將電容器置于頂層。
圖 4：垂直熱回路 1 底視圖和側(cè)視圖。CIN 位于穩(wěn)壓器正下方，通過(guò)過(guò)孔連接。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 5：垂直熱回路 2 底視圖和側(cè)視圖。CIN 位于穩(wěn)壓器下方，但在穩(wěn)壓器旁邊，需要電路板印制線和過(guò)孔。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 6：水平熱回路俯視圖和側(cè)視圖。CIN 位于頂層，通過(guò)印制線與穩(wěn)壓器相連。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
垂直熱回路 1 的路徑最短，可避免使用電路板印制線。因此，預(yù)計(jì)它的寄生參數(shù)最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫茲 (MHz) 的頻率分析每個(gè)熱回路，結(jié)果顯示情況確實(shí)如此（圖 7）。
圖 7：不出所料，最短路徑的寄生阻抗最低。（圖片來(lái)源：Analog Devices，由作者修改）
雖然我們無(wú)法直接測(cè)量這些寄生參數(shù)，但可以預(yù)測(cè)和測(cè)試它們的影響。具體來(lái)說(shuō)，ESR 越低，效率越高，ESL 越低，紋波越小。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)了這些預(yù)測(cè)，垂直熱回路 1 在這兩項(xiàng)指標(biāo)上都有更好的表現(xiàn)（圖 8）。
圖 8：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，垂直熱回路 1 實(shí)現(xiàn)了更好的效率和紋波。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
最小化分立元件的寄生參數(shù)
雖然集成器件具有許多優(yōu)勢(shì)，但某些開關(guān)電源仍需要分立元件。例如，大功率應(yīng)用可能會(huì)超出集成設(shè)備的能力。在這種情況下，分立功率 FET 的位置和封裝尺寸都會(huì)對(duì)熱回路 ESR 和 ESL 產(chǎn)生重大影響。如圖 9 所示，通過(guò)測(cè)試兩塊評(píng)估板可以看出這些影響，這兩塊評(píng)估板都采用了高效的 4 開關(guān)同步降壓升壓控制器：
· DC2825A 評(píng)估板基于 LT8390 降壓升壓穩(wěn)壓器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
· DC2626A 評(píng)估板基于 LT8392 降壓升壓穩(wěn)壓器。兩對(duì) MOSFET 成 90? 角放置。
圖 9：DC2825A（左）將 MOSFET 平行放置，而 DC2626A（右）將 MOSFET 以 90? 角垂直放置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這兩塊電路板使用相同的 MOSFET 和電容器進(jìn)行測(cè)試，在 10 A 和 300 千赫茲 (kHz) 頻率下進(jìn)行 36 至 12 伏的降壓操作。結(jié)果表明，90? 放置的電壓紋波更低，諧振頻率更高，表示由于熱回路徑更短，PC 板 ESL 更?。▓D 10）。
圖 10：采用 90? MOSFET 布局的 DC2626A 具有更低的紋波和更高的諧振頻率。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
其他布局考慮因素
在熱回路中采用頂部 FormVVia 布置也會(huì)影響回路 ESR 和 ESL。一般來(lái)說(shuō)，增加過(guò)孔可以降低電路板的寄生阻抗。不過(guò)，這種減少與過(guò)孔數(shù)量并不成正比。過(guò)孔靠端子焊盤近一些可顯著降低 ESR 和 ESL。因此，應(yīng)在靠近關(guān)鍵元件（CIN 和 μModule 或 MOSFET）焊盤的地方放置多個(gè)過(guò)孔，以盡量減小熱回路阻抗。
還有許多其他方法可以對(duì)電氣和熱性能產(chǎn)生積極影響。優(yōu)化熱回路的最佳做法包括：
· 在大電流通路（包括VIN、VOUT 和接地）上使用大面積的電路板銅，以盡量減少電路板傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
· 在單元下方放置專用的電源接地層。
· 在頂層和其他功率層之間使用多個(gè)過(guò)孔進(jìn)行互連，以盡量減少傳導(dǎo)損耗，并降低模塊熱應(yīng)力。
· 不要將過(guò)孔直接放在焊盤上，除非對(duì)其進(jìn)行封蓋或電鍍。
· 對(duì)于連接到信號(hào)引腳的組件，應(yīng)使用獨(dú)立的信號(hào)接地銅區(qū)，將信號(hào)接地連接到單元下方的主接地引腳。
· 在信號(hào)引腳上引入測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
· 保持時(shí)鐘信號(hào)與頻率輸入印制線之間的距離，以盡量減少串?dāng)_造成噪聲的可能性。
結(jié)語(yǔ)
熱回路中的寄生參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響開關(guān)電源的性能。盡量減少這些參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率和低 EMI 至關(guān)重要。
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最簡(jiǎn)單方法之一就是使用集成穩(wěn)壓器模塊。不過(guò)，開關(guān)電源通常需要使用電容器等散裝元件，因此必須了解熱回路布局的影響。
(作者：Kenton Williston)
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