尊龙凯时人生就是博官网尊龙凯时人生就是搏!◈ღ✿。尊龙凯时官网◈ღ✿。尊龙凯时官方网站◈ღ✿，对于功率转换器◈ღ✿，寄生参数最小的热回路PCB布局能够改善能效比◈ღ✿，降低电压振铃btchina联盟◈ღ✿，并减少电磁干扰(EMI)◈ღ✿。本文讨论如何通过最小化PCB的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)来优化热回路布局设计◈ღ✿。本文研究并比较了影响因素btchina联盟◈ღ✿，包括解耦电容位置◈ღ✿、功率FET尺寸和位置以及过孔布置◈ღ✿。通过实验验证了分析结果◈ღ✿，并总结了最小化PCB ESR和ESL的有效方法◈ღ✿。

　　开关模式功率转换器的热回路是指由高频(HF)电容和相邻功率FET形成的临界高频交流电流回路尊龙人生就是博◈ღ✿。它是功率级PCB布局的最关键部分◈ღ✿，因为它包含高dv/dt和di/dt噪声成分◈ღ✿。设计不佳的热回路布局会产生较大的PCB寄生参数◈ღ✿，包括ESL◈ღ✿、ESR和等效并联电容(EPC)◈ღ✿，这些参数对功率转换器的效率◈ღ✿、开关性能和EMI性能有重大影响◈ღ✿。

　　图1显示了同步降压DC-DC转换器原理图◈ღ✿。热回路由MOSFET M1和M2以及解耦电容CIN形成◈ღ✿。M1和M2的开关动作会产生高频di/dt和dv/dt噪声◈ღ✿。CIN提供了一个低阻抗路径来旁路高频噪声成分◈ღ✿。然而◈ღ✿，器件封装内和热回路PCB走线上存在寄生阻抗（ESR◈ღ✿、ESL）◈ღ✿。高di/dt噪声通过ESL会引起高频振铃◈ღ✿，进而导致EMI◈ღ✿。ESL中存储的能量在ESR上耗散◈ღ✿，导致额外的功率损耗◈ღ✿。因此◈ღ✿，应尽量减小热回路PCB的ESR和ESL◈ღ✿，以减少高频振铃并提高效率◈ღ✿。

　　准确提取热回路的ESR和ESL◈ღ✿，有助于预测开关性能并改进热回路设计◈ღ✿。器件的封装和PCB走线均会影响回路的总寄生参数◈ღ✿。本文主要关注PCB布局设计◈ღ✿。有一些工具可帮助用户提取PCB寄生参数◈ღ✿，例如Ansys Q3D◈ღ✿、FastHenry/FastCap◈ღ✿、StarRC等◈ღ✿。Ansys Q3D之类的商用工具可提供准确的仿真◈ღ✿，但通常价格昂贵◈ღ✿。FastHenry/FastCap是一款基于部分元件等效电路(PEEC)数值建模的免费工具◈ღ✿，可以通过编程提供灵活的仿真来探索不同的版图设计◈ღ✿，但需要额外的编程◈ღ✿。FastHenry/FastCap寄生参数提取的有效性和准确性已经过验证◈ღ✿，并与Ansys Q3D进行了比较◈ღ✿，结果一致◈ღ✿。在本文中◈ღ✿，FastHenry用作提取PCB ESR和ESL的经济高效的工具◈ღ✿。

　　本部分基于ADI公司的LTM4638µModule®稳压器演示板DC2665A-B来研究CIN位置的影响◈ღ✿。LTM4638是一款集成式20 VIN◈ღ✿、15 A降压型转换器模块◈ღ✿，采用小型6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA封装◈ღ✿。它具有高功率密度◈ღ✿、快速瞬态响应和高效率特性◈ღ✿。模块内部集成了一个小的高频陶瓷CIN尊龙人生就是博◈ღ✿，不过受限于模块封装尺寸◈ღ✿，这还不够◈ღ✿。图2至图4展示了演示板上的三种不同热回路◈ღ✿，这些热回路使用了额外的外部CIN◈ღ✿。第一种是垂直热回路1（图2）◈ღ✿，其中CIN1放置在μModule稳压器下方的底层◈ღ✿。µModule VIN和GND BGA引脚通过过孔直接连接到CIN1◈ღ✿。这些连接提供了演示板上的最短热回路路径◈ღ✿。第二种热回路是垂直热回路2（图3）◈ღ✿，其中CIN2仍放置在底层尊龙人生就是博◈ღ✿，但移至μModule稳压器的侧面区域◈ღ✿。其结果是◈ღ✿，与垂直热回路1相比◈ღ✿，该热回路添加了额外的PCB走线◈ღ✿，预计ESL和ESR更大◈ღ✿。第三种热回路选项是水平热回路（图4）◈ღ✿，其中CIN3放置在靠近μModule稳压器的顶层◈ღ✿。µModule VIN和GND引脚通过顶层铜连接到CIN3◈ღ✿，而不经过过孔btchina联盟◈ღ✿。然而◈ღ✿，顶层的VIN铜宽度受其他引脚排列的限制◈ღ✿，导致回路阻抗高于垂直热回路1◈ღ✿。表1比较了FastHenry提取的热回路 PCB ESR和ESL◈ღ✿。正如预期的那样◈ღ✿，垂直热回路1的PCB ESR和ESL最低◈ღ✿。

　　为了通过实验验证不同热回路的ESR和ESL◈ღ✿，我们测试了12V转1V CCM运行时演示板的效率和VIN交流纹波◈ღ✿。理论上◈ღ✿，ESR越低◈ღ✿，则效率越高◈ღ✿，而ESL越小◈ღ✿，则VSW振铃频率越高◈ღ✿，VIN纹波幅度越低◈ღ✿。图5a显示了实测效率◈ღ✿。垂直热回路1的效率最高◈ღ✿，因为其ESR最低◈ღ✿。水平热回路和垂直热回路1之间的损耗差异也是基于提取的ESR计算的◈ღ✿，这与图5b所示的测试结果一致◈ღ✿。图5c中的VINHF纹波波形是在CIN上测试的◈ღ✿。水平热回路具有更高的VIN纹波幅度和更低的振铃频率◈ღ✿，因此验证了其回路ESL高于垂直热回路1btchina联盟◈ღ✿。另外◈ღ✿，由于回路ESR更高◈ღ✿，因此水平热回路的VIN纹波衰减速度快于垂直热回路1◈ღ✿。此外◈ღ✿，较低的VIN纹波降低了EMI◈ღ✿，因而可以使用较小的EMI滤波器◈ღ✿。

　　图5.演示板测试结果◈ღ✿：(a)效率尊龙人生就是博◈ღ✿，(b)水平回路与垂直回路1之间的损耗差异◈ღ✿，(c)15A输出时M1导通期间的VIN纹波

　　对于分立式设计◈ღ✿，功率FET的布置和封装尺寸对热回路ESR和ESL也有重大影响◈ღ✿。本部分对使用功率FET M1和M2以及解耦电容CIN的典型半桥热回路进行了建模和研究◈ღ✿。图6比较了常见功率FET封装尺寸和放置位置◈ღ✿。表2显示了每种情况下提取的ESR和ESL◈ღ✿。

　　情况(a)至(c)展示了三种常见功率FET布置◈ღ✿，其中采用5 mm × 6 mm MOSFET◈ღ✿。热回路的物理长度决定了寄生阻抗◈ღ✿。与情况(a)相比◈ღ✿，情况(b)中的90°形状布置和情况(c)中的180°形状布置的回路路径更短◈ღ✿，导致ESR降低60%◈ღ✿，ESL降低80%◈ღ✿。由于90°形状布置显示出了优势◈ღ✿，我们基于情况(b)研究了更多情况◈ღ✿，以进一步降低回路ESR和ESL◈ღ✿。情况(d)将一个5 mm × 6 mm MOSFET替换为两个并联的3.3mm × 3.3mm MOSFET◈ღ✿。由于MOSFET尺寸更小◈ღ✿，回路长度进一步缩短◈ღ✿，导致回路阻抗降低7%◈ღ✿。情况(e)将一个接地层放置在热回路层下方◈ღ✿，与情况(d)相比◈ღ✿，热回路ESR和ESL进一步降低2％◈ღ✿。原因是接地层上产生了涡流◈ღ✿，其感应出相反的磁场◈ღ✿，相当于降低了回路阻抗◈ღ✿。情况(f)构建了另一个热回路层作为底层◈ღ✿。如果将两个并联MOSFET对称布置在顶层和底层◈ღ✿，并通过过孔连接◈ღ✿，则由于并联阻抗◈ღ✿，热回路PCB ESR和ESL的降低更加明显◈ღ✿。因此◈ღ✿，在顶层和底层上以对称90°形状或180°形状布置较小尺寸的器件◈ღ✿，可以获得最低的PCB ESR和ESL尊龙人生就是博◈ღ✿。

　　为了通过实验验证MOSFET布置的影响◈ღ✿，我们使用了ADI公司的高效率4开关同步降压-升压控制器演示板LT8390/DC2825A和LT8392/DC2626A◈ღ✿。如图 7a和图7b所示◈ღ✿，DC2825A采用直线MOSFET布置◈ღ✿，DC2626A采用90°形状的MOSFET布置◈ღ✿。为了进行公平比较btchina联盟◈ღ✿，两个演示板配置了相同的MOSFET和解耦电容◈ღ✿，并在36V转12V/10A◈ღ✿、300 kHz降压操作下进行了测试◈ღ✿。图7c显示了M1导通时刻测得的VIN交流纹波◈ღ✿。采用90°形状的MOSFET布置时◈ღ✿，VIN纹波的幅度更低◈ღ✿，谐振频率更高◈ღ✿，这就验证了热回路路径较短导致PCB ESL更小◈ღ✿。相反◈ღ✿，直线MOSFET布置的热回路更长◈ღ✿，ESL更高◈ღ✿，导致VIN纹波幅度要高得多◈ღ✿，并且谐振频率更低◈ღ✿。根据Cho和Szokusha研究的EMI测试结果◈ღ✿，较高的输入电压纹波还会导致EMI辐射更严重◈ღ✿。

　　热回路中的过孔布局对回路ESR和ESL也有重要影响btchina联盟◈ღ✿。图8对使用两层PCB结构和直线布置功率FET的热回路进行了建模◈ღ✿。FET放置在顶层◈ღ✿，第二层是接地层◈ღ✿。CINGND焊盘和M2源极焊盘之间的寄生阻抗Z2是热回路的一部分◈ღ✿，作为示例进行研究◈ღ✿。Z2是从FastHenry提取的◈ღ✿。表3总结并比较了不同过孔布置的仿线◈ღ✿。通常◈ღ✿，添加更多过孔会降低PCB寄生阻抗◈ღ✿。然而◈ღ✿，ESR2和ESL2的降低程度与过孔数量并不是线性比例关系◈ღ✿。靠近引脚焊盘的过孔◈ღ✿，所导致的PCB ESR和ESL的降低最明显◈ღ✿。因此◈ღ✿，对于热回路布局设计尊龙人生就是博◈ღ✿，必须将几个关键过孔布置在靠近CIN和MOSFET焊盘的位置◈ღ✿，以使高频回路阻抗最小尊龙人生就是博◈ღ✿。

　　减小热回路的寄生参数有助于提高电源效率◈ღ✿，降低电压振铃◈ღ✿，并减少EMIbtchina联盟◈ღ✿。为了尽量减小PCB寄生参数◈ღ✿，我们研究并比较了使用不同解耦电容位置◈ღ✿、MOSFET尺寸和位置以及过孔布置的热回路布局设计◈ღ✿。更短的热回路路径◈ღ✿、更小尺寸的MOSFET◈ღ✿、对称的90°形状和180°形状MOSFET布置◈ღ✿、靠近关键元器件的过孔◈ღ✿，均有助于实现最低的热回路PCB ESR和ESL◈ღ✿。