中心議題：
- 電源模塊性能最優(yōu)化
- 電路板布局如何影響實際的電源子系統(tǒng)結(jié)果
解決方案：
- 合理的PCB布局技術(shù)使電源模塊性能最優(yōu)化
了解電路板布局如何影響實際的電源子系統(tǒng)結(jié)果
簡單易用的新一代電源模塊為復(fù)雜的電源設(shè)計、以及通常與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有關(guān)的印刷電路板(PCB)布局提供了一種替代方案。盡管如此，在設(shè)計和布局這些將電感器和單片同步穩(wěn)壓器集成在一個電源組中的電源模塊時仍有不少設(shè)計工作要做。本文介紹了最佳的PCB布局方法、實踐和技術(shù)，以最大限度地優(yōu)化 SIMPLESWITCHER電源模塊的性能。
當(dāng)設(shè)計電源-轉(zhuǎn)換器布局時，首先要考慮的是兩個開關(guān)電流回路的物理環(huán)路面積。雖然它們主要隱藏在電源模塊中，但了解這兩個回路中的每個電流路徑是非常重要的，因為這些電流回路不僅僅局限在模塊中。在圖1所示的回路1中，電流從輸入儲能電容(Cin1)流出，然后在其導(dǎo)通時間期間流經(jīng)內(nèi)部高邊金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)，緊接著流經(jīng)內(nèi)部電感器和輸出旁路電容 (CO1)，最終流回輸入旁路電容。
圖1
回路2是在內(nèi)部高邊 MOSFET 的關(guān)斷時間期內(nèi)和低邊 MOSFET 的導(dǎo)通時間期內(nèi)形成的。如圖所示內(nèi)部電感器中儲存的能量流經(jīng)輸出旁路電容和返回至接地的低邊MOSFET。兩個回路中不重疊的區(qū)域，包括兩個環(huán)之間的邊界是高 di/dt 電流區(qū)域。輸入旁路電容 (Cin1) 在提供變換器高頻電流和將電流送回其電源的過程中起著非常關(guān)鍵的作用。
圖2
輸出旁路電容 (CO1) 不提供大的交流電流，但用作高頻開關(guān)噪聲濾波器?；谶@些原因，輸入和輸出電容應(yīng)盡可能近地置放在模塊上各自的 VIN 和 VOUT 引腳上。如圖2所示，旁路電容和各自 VIN 和 VOUT 引腳之間的徑跡要盡可能短而寬，從而最大限度地減少這些連接的電感。
最小化電感的布局有兩個主要好處。第一個好處是分別通過提高能量在 Cin1 和 CO1上的來回傳送來改善部件的性能。這將確保該模塊具有良好的高頻旁路，以最小化高di/dt 電流引起的感應(yīng)電壓峰值。這最大限度地減低了噪聲和對設(shè)備的電壓應(yīng)力，從而確保了正常工作。第二個好處是最大限度地降低了電磁干擾 (EMI)。
低寄生電感引腳的電容對更高的頻率表現(xiàn)出低阻抗，從而減低傳導(dǎo)發(fā)射。推薦使用陶瓷 (X7R 或 X5R) 或其他低 ESR 型電容。如果其他電容置放在靠近接地和VIN處，唯一有效的的辦法就是添加更多的輸入電容。由于其設(shè)計，SIMPLE SWITCHER 電源模塊本身具有較低的輻射和傳導(dǎo) EMI。不過，按照本文中討論的布局指引，就可以極大地優(yōu)化電源模塊的性能。
返回電流的路由常常被忽略，然而它們在任何電源設(shè)計優(yōu)化中都發(fā)揮著重要作用。同樣，Cin1 和 CO1 的接地徑跡應(yīng)盡可能短而寬，并使用外露焊盤直接連接。這點非常重要，因為輸入電容 (Cin1) 的地端流過很大的交流電流。
模塊(包括外露焊盤)、輸入和輸出電容、軟啟動電容和反饋電阻的接地引腳均應(yīng)與PCB 上的回流平面相連。該回流平面用作一個非常低的電感電流返回路徑和散熱器，這點將在下一節(jié)討論。
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反饋電阻的布置也應(yīng)盡可能接近模塊的反饋(FB)引腳。使 FB 引腳和反饋電阻的中心抽頭之間的徑跡盡可能短，這對于在該高阻抗節(jié)點最小化電勢噪聲的捕獲非常重要。選用時，補償部件或前饋電容的布置應(yīng)盡可能地靠近上部反饋電阻。請參見例子中的相應(yīng)模塊數(shù)據(jù)表中的 PCB 布局圖。
散熱設(shè)計建議
模塊的緊湊布局所獲得的電氣方面的益處與散熱設(shè)計的要求無法兼顧，因為相同的功率需要從較小的空間消散?？紤]到這一點，SIMPLE SWITCHER 電源模塊在電連接至接地的封裝件背面設(shè)計有一個單獨的裸露大焊盤。該焊盤從內(nèi)部 MOSFETs(絕大部分熱量在此產(chǎn)生)到 PCB 均具有極低的熱阻。
從半導(dǎo)體結(jié)到這些設(shè)備的外殼的熱阻 θJC 為 1.9°C/W。一個在業(yè)界很棒的θJC ，但是如果從外殼到環(huán)境空氣的熱阻 (θCA) 過大，那么低 θJC 也沒有什么意義。當(dāng)環(huán)境空氣未提供低阻抗散熱路徑時，熱量將積聚在裸露焊盤處。
θCA 由什么決定呢？從裸露焊盤到環(huán)境空氣的熱阻完全由 PCB以及任何相關(guān)的散熱器的設(shè)計所決定。
讓我們快速了解下如何用PCB完成一個不使用散熱器的簡易散熱設(shè)計。圖3 圖示說明的是作為熱阻的模塊和PCB。由于結(jié)點和外殼頂部之間相對較高的熱阻，與結(jié)點到裸露黏晶焊盤的熱阻相比，在首次預(yù)估結(jié)點到環(huán)境空氣的熱阻θJA時，θJT 散熱路徑可忽略。
散熱設(shè)計的第一步是確定需要消耗的功率是多少。通過模塊 (PD) 消耗的功率可從數(shù)據(jù)表中所列出的效率圖 (η) 輕易地計算得到。
之后，使用我們設(shè)計的溫度限值、最大環(huán)境溫度 T環(huán)境和額定結(jié)溫 T結(jié) (125°C) 來確定安裝在 PCB 上的模塊的所需熱阻。
最后，我們可使用已大大簡化的PCB 表面(在頂層和底層上帶有完整的一盎司散熱銅和無窮多個散熱孔)對流換熱近似值來確定確定散熱所需的電路板面積：
這個所需 PCB 電路板面積的近似值未考慮散熱孔的影響，這些散熱孔常用來將熱量從頂層金屬(封裝件在此處與PCB相連)傳遞到底層金屬。底層常用作第二表面，對流可在此處將熱量從電路板上帶走。要有效估算電路板面積的近似值至少要使用 8-10 個散熱孔。通過以下方程近似得出散熱孔的熱阻：
該近似值適用于帶 0.5 盎司銅側(cè)壁的典型 12 密耳直徑通孔。使用的多個散熱孔應(yīng)安裝在裸露焊盤的下方，并采用 1 毫米至 1.5 毫米間距來形成一個陣列。
結(jié)論
SIMPLE SWITCHE 電源模塊為復(fù)雜的電源設(shè)計、以及通常與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有關(guān)的印刷電路板 (PCB) 布局提供了另一種選擇。雖然已解決了布局上的難題，但仍需要工程師完成一些設(shè)計，以便通過合理的旁路和散熱設(shè)計，最大限度地優(yōu)化模塊的性能。
