正如我在第一部分中提到的，專用于電源管理的印刷電路板 (PCB) 區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的限制。降低轉(zhuǎn)換器損耗是在 PCB 空間有限的空間受限應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)緊湊實(shí)現(xiàn)的基本要求。
在電路板上的戰(zhàn)略位置靈活部署轉(zhuǎn)換器的能力也很重要——例如高電流負(fù)載點(diǎn)（POL）模塊，其最佳位置靠近負(fù)載以實(shí)現(xiàn)更小的傳導(dǎo)降和更好的負(fù)載瞬態(tài)性能.
考慮圖 1 中小型化降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)布局。作為嵌入式 POL 模塊實(shí)現(xiàn)，它使用全陶瓷電容器設(shè)計(jì)、高效屏蔽電感器、垂直堆疊的 MOSFET、電壓模式控制器和帶有 2oz 銅的六層 PCB。
圖 1：25A 同步降壓轉(zhuǎn)換器 PCB 布局和實(shí)施。
這種設(shè)計(jì)的主要原則是高功率密度和低物料清單 (BOM) 成本。它占用的 PCB 總面積為 2.2cm 2 (0.34in 2 )，每單位面積的有效電流密度為 11.3A/cm 2 (75A/in 2 )。3.3V 輸出時(shí)單位體積的功率密度為 57W/cm 3 (930W/in 3 )。
獲得高功率密度的正常方法是增加開(kāi)關(guān)頻率。相比之下，您可以通過(guò)策略性的元件選擇實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)保持 300kHz 的相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率，以減少頻率比例損耗，例如 MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗和電感器磁芯損耗。表 1 列出了此設(shè)計(jì)的基本組件。
動(dòng)力傳動(dòng)部件 | 占地面積和輪廓 (mm) | 推薦的土地格局 外形尺寸 (mm) |
CSD86530Q5D NexFET? 電源塊 | 5.0 x 6.0 x 1.5 (SON5x6) | 5.15 x 6.24 |
LM27402 3V-20V PWM 控制器 | 4.0 x 4.0 x 0.8 (WQFN-16) | 4.2 x 4.2 |
0.68μH 1.6mΩ 33A 濾波電感 | 11.5 x 10.3 x 4.0 | 4.1 x 13.6 |
22μF 輸入和 47μF 輸出 X5R 電容器 | 2.0 x 1.25 x 1.35 (0805) | 2.2 x 1.3 |
終端連接 | 2.0 x 3.0 | 2.0 x 3.0（在主機(jī)板上） |
表 1：POL 模塊組件、封裝尺寸和推薦的焊盤尺寸。
高密度 PCB 設(shè)計(jì)的價(jià)值主張
顯然，PCB 是設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的（有時(shí)也是最昂貴的）組件。為高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器精心規(guī)劃和精心執(zhí)行的 PCB 布局的價(jià)值主張?jiān)谟冢?/p>
· 空間受限設(shè)計(jì)中的更多功能（減少解決方案體積和占地面積）。
· 降低開(kāi)關(guān)環(huán)路寄生電感，有助于：
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· 降低功率 MOSFET 電壓應(yīng)力（開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰）和振鈴。
· 減少開(kāi)關(guān)損耗。
· 降低電磁干擾（EMI）、磁場(chǎng)耦合和輸出噪聲特征。
· 額外的保證金生存輸入軌瞬態(tài)電壓干擾，特別是在寬的VIN 范圍應(yīng)用。
· 提高可靠性和穩(wěn)健性（降低組件溫度）。
· 成本節(jié)約與更小的 PCB、更少的過(guò)濾組件和消除緩沖器有關(guān)。
· 差異化設(shè)計(jì)可提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、吸引客戶注意力并增加收入。
可以說(shuō)，PCB 布局決定了開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器最終實(shí)現(xiàn)的性能。當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員很樂(lè)意避免為 EMI、噪聲、信號(hào)完整性和其他與不良布局相關(guān)的問(wèn)題花費(fèi)無(wú)數(shù)小時(shí)的調(diào)試時(shí)間。
不要在關(guān)鍵回路上使用熱阻焊盤，它們會(huì)引入多余的電感特性。 當(dāng)使用地線層的時(shí)候，要盡力保持輸入切換回路下面的地層的完整性。任何對(duì)這一區(qū)域地線層的切割都會(huì)降低地線層的有效性，即使是通過(guò)地線層的信號(hào)導(dǎo)通孔也會(huì)增加其阻抗。導(dǎo)通孔可以被用于連接退藕電容和 IC 的地到地線層上，這可使回路最短化。但需要牢記的是導(dǎo)通孔的電感量大約在 0.1~0.5nH 之間，這會(huì)根據(jù)導(dǎo)通孔厚度和長(zhǎng)度的不同而不同，它們可增加總的回路電感量。對(duì)于低阻抗的連接來(lái)說(shuō)，使用多個(gè)導(dǎo)通孔是應(yīng)該的。
在上面的例子中，通到地線層的附加導(dǎo)通孔對(duì)縮減 C IN 回路的長(zhǎng)度沒(méi)有幫助。但在另一個(gè)例子中，由于頂層的路徑很長(zhǎng)，通過(guò)導(dǎo)通孔來(lái)縮小回路面積就十分有效。
需要注意的是將地線層作為電流回流的路徑會(huì)將大量噪聲引入地線層，為此可將局部地線層獨(dú)立出來(lái)，再通過(guò)一個(gè)噪聲很低的點(diǎn)接入主地當(dāng)中。
當(dāng)?shù)鼐€層很靠近輻射回路的時(shí)候，其對(duì)回路的屏蔽效果會(huì)得到有效的加強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)多層PCB的時(shí)候，可將完整的地線層放在第二層，使其直接位于承載了大電流的頂層的下面。
非屏蔽電感會(huì)生成大量的漏磁，它們會(huì)進(jìn)入其他回路和濾波元件之中。在噪聲敏感的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)使用半屏蔽或全屏蔽的電感，還要讓敏感電路和回路遠(yuǎn)離電感。
解決 EMI 問(wèn)題可能是一件很復(fù)雜的事情，尤其是在面對(duì)完整的系統(tǒng)，同時(shí)又不知道輻射源所在的時(shí)候。有了關(guān)于高頻信號(hào)和開(kāi)關(guān)切換式轉(zhuǎn)換器中的電流回路的基礎(chǔ)知識(shí)，再加上對(duì)元器件和 PCB 布局在高頻情況下的表現(xiàn)的了解，結(jié)合某些簡(jiǎn)單自制工具的使用，要想找出輻射源和降低輻射的低成本解決方案，從而輕松的解決 EMI 問(wèn)題是有可能的。預(yù)告下期將為大家?guī)?lái)一個(gè)DIY EMI 探測(cè)工具。相信這些開(kāi)關(guān)電源的經(jīng)驗(yàn)對(duì)初學(xué)的一些工程師來(lái)說(shuō)，會(huì)有一定的幫助。
