作者：Kenton Williston

　　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。但它們也帶來了挑戰(zhàn)，因為其應(yīng)用已經(jīng)延伸到新的領(lǐng)域。最明顯的是，其高頻切換會對系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。此外，導(dǎo)致 EMI 的因素同樣也會降低效率，從而削弱開關(guān)電源關(guān)鍵的能效優(yōu)勢。

　　為了避免這些問題，設(shè)計人員在配置“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。這可以通過選擇高度集成的電源元件和精心設(shè)計的印刷電路板(PC 板)布局來實現(xiàn)。

　　本文將介紹熱回路和寄生損耗來源，具體包括耦合電容器、功率場效應(yīng)晶體管 (FET) 和電路板過孔等。然后會展示 Analog Devices 的高集成度電源轉(zhuǎn)換器實例，并介紹各種電路板布局及其對寄生參數(shù)的影響。最后還介紹了降低 ESR 和 ESL 的實用技巧。

　　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，如升壓、降壓升壓和反激式轉(zhuǎn)換器，都會出現(xiàn)高頻開關(guān)電流熱回路。這個概念可以通過一個簡化的降壓轉(zhuǎn)換器來說明(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 1：一個簡化的降壓轉(zhuǎn)換器說明了熱回路(紅框)的原理。(圖片來源：Analog Devices)

　　“熱”是因為電路的這一區(qū)域進(jìn)行著大量的能量轉(zhuǎn)換和開關(guān)活動，而這些活動往往伴隨著熱量的產(chǎn)生。對這些熱回路進(jìn)行合理布局和設(shè)計對于最大限度地減少 EMI 和確保電源的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

　　圖 2 中更為現(xiàn)實的電路是一個 DC-DC 同步降壓轉(zhuǎn)換器。在這個熱回路中，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)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)(M1 和 M2)。

　　圖 2：真實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)會導(dǎo)致 ESL 內(nèi)產(chǎn)生瞬時振蕩，從而產(chǎn)生電磁干擾。儲存在 ESL 中的能量會被 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)計人員必須仔細(xì)選擇元件并優(yōu)化電路板布局。

　　實現(xiàn)這兩個目標(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極佳實例。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 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。(圖片來源：Analog Devices)

　　LTM4638 還具有其他幾項功能，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，并通過快速過渡到次優(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。該功能通過精確控制輸出電壓的升降，降低了可能加劇寄生損耗的過沖或欠沖的可能性。

　　通過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對寄生參數(shù)產(chǎn)生重大影響。

　　Analog Devices 使用針對 LTM4638 的 DC2665A-B 評估板進(jìn)行的實驗說明了 CIN 位置選擇的影響。后來，DC2665B-B 取代了該評估板，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，通過過孔連接。(圖片來源：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孔。(圖片來源：Analog Devices)

　　圖 6：水平熱回路俯視圖和側(cè)視圖。CIN 位于頂層，通過印制線與穩(wěn)壓器相連。(圖片來源：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) 的頻率分析每個熱回路，結(jié)果顯示情況確實如此(圖 7)。

　　熱回路600 KHZ 時的 ESR (ESR1 + ESR2)200 KHZ 時的 ESR (ESR1 + ESR2)

　　垂直熱回路 10.7毫歐0.54納赫

　　垂直熱回路 22.5毫歐1.17nH

　　水平熱回路3.3毫歐0.84納赫

　　圖 7：不出所料，最短路徑的寄生阻抗最低。(圖片來源：Analog Devices，由作者修改)

　　雖然我們無法直接測量這些寄生參數(shù)，但可以預(yù)測和測試它們的影響。具體來說，ESR 越低，效率越高，ESL 越低，紋波越小。實驗驗證證實了這些預(yù)測，垂直熱回路 1 在這兩項指標(biāo)上都有更好的表現(xiàn)(圖 8)。

　　圖 8：實驗結(jié)果證實，垂直熱回路 1 實現(xiàn)了更好的效率和紋波。(圖片來源：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，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對熱回路 ESR 和 ESL 產(chǎn)生重大影響。如圖 9 所示，通過測試兩塊評估板可以看出這些影響，這兩塊評估板都采用了高效的 4 開關(guān)同步降壓升壓控制器：

　　DC2825A 評估板基于 LT8390 降壓升壓穩(wěn)壓器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。

　　DC2626A 評估板基于 LT8392 降壓升壓穩(wěn)壓器。兩對 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。(圖片來源：Analog Devices)

　　這兩塊電路板使用相同的 MOSFET 和電容器進(jìn)行測試，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 更小(圖 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 布置也會影響回路ESR 和ESL。一般來說，增加過孔可以降低電路板的寄生阻抗。不過，這種減少與過孔數(shù)量并不成正比。過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(C IN和μModule 或MOSFET)焊盤的地方放置多個過孔，以盡量減小熱回路阻抗。

　　還有許多其他方法可以對電氣和熱性能產(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過孔進(jìn)行互連，以盡量減少傳導(dǎo)損耗，并降低模塊熱應(yīng)力。

　　不要將過孔直接放在焊盤上，除非對其進(jìn)行封蓋或電鍍。

　　對于連接到信號引腳的組件，應(yīng)使用獨立的信號接地銅區(qū)，將信號接地連接到單元下方的主接地引腳。

　　在信號引腳上引入測試點進(jìn)行監(jiān)測。

　　保持時鐘信號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

　　熱回路中的寄生參數(shù)會嚴(yán)重影響開關(guān)電源的性能。盡量減少這些參數(shù)對于實現(xiàn)高效率和低 EMI 至關(guān)重要。

　　實現(xiàn)這些目標(biāo)的最簡單方法之一就是使用集成穩(wěn)壓器模塊。不過，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。