如何優(yōu)化PCB布局提高電源模塊性能
摘要： 本文從電源PCB的布局出發(fā)，介紹了優(yōu)化SIMPLE SWITCHER電源模塊性能的最佳PCB布局方法、實(shí)例及技術(shù)。
Abstract：
Key words :
全球出現(xiàn)的能源短缺問(wèn)題使各國(guó)政府都開(kāi)始大力推行節(jié)能新政。電子產(chǎn)品的能耗標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于電源設(shè)計(jì)工程師，如何設(shè)計(jì)更高效率、更高性能的電源是一個(gè)永恒的挑戰(zhàn)。本文從電源PCB的布局出發(fā)，介紹了優(yōu)化SIMPLE SWITCHER電源模塊性能的最佳PCB布局方法、實(shí)例及技術(shù)。
在規(guī)劃電源布局時(shí)，首先要考慮的是兩個(gè)開(kāi)關(guān)電流環(huán)路的物理環(huán)路區(qū)域。雖然在電源模塊中這些環(huán)路區(qū)域基本看不見(jiàn)，但是了解這兩個(gè)環(huán)路各自的電流路徑仍很重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)延至模塊以外。在圖1所示的環(huán)路1中，電流自導(dǎo)通的輸入旁路電容器(Cin1)，在高端MOSFET的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)經(jīng)該MOSFET，到達(dá)內(nèi)部電感器和輸出旁路電容器(CO1)，最后返回輸入旁路電容器。
圖1 電源模塊中環(huán)路示意圖
環(huán)路2是在內(nèi)部高端MOSFET的關(guān)斷時(shí)間以及低端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)形成的。內(nèi)部電感器中存儲(chǔ)的能量流經(jīng)輸出旁路電容器和低端MOSFET，最后返回GND（如圖1所示）。兩個(gè)環(huán)路互不重疊的區(qū)域（包括環(huán)路間的邊界），即為高di/dt電流區(qū)域。在向轉(zhuǎn)換器提供高頻電流以及使高頻電流返回其源路徑的過(guò)程中，輸入旁路電容器(Cin1)起著關(guān)鍵作用。
輸出旁路電容器(Co1)雖然不會(huì)帶來(lái)較大交流電流，但卻會(huì)充當(dāng)開(kāi)關(guān)噪聲的高頻濾波器。鑒于上述原因，在模塊上輸入和輸出電容器應(yīng)該盡量靠近各自的VIN和VOUT引腳放置。如圖2所示，若使旁路電容器與其各自的VIN和VOUT引腳之間的走線盡量縮短并擴(kuò)寬，即可將這些連接產(chǎn)生的電感降至最低。
圖2 SIMPLE SWITCHER環(huán)路
將PCB布局中的電感降至最低，有以下兩大好處。第一,通過(guò)促進(jìn)能量在Cin1與CO1之間的傳輸來(lái)提高元件性能。這將確保模塊具有良好的高頻旁路，將高di/dt電流產(chǎn)生的電感式電壓峰值降至最低。同時(shí)還能將器件噪聲和電壓應(yīng)力降至最低，確保其正常操作。第二，最大化降低EMI。
連接更少寄生電感的電容器，就會(huì)表現(xiàn)出對(duì)高頻率的低阻抗特性，從而減少傳導(dǎo)輻射。建議使用陶瓷電容器（X7R或X5R）或其他低ESR型電容器。只有將額外的電容放在靠近GND和VIN端時(shí)，添加的更多的輸入電容才能發(fā)揮作用。SIMPLE SWITCHER電源模塊經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)，本身即具有低輻射和傳導(dǎo)EMI，而遵循本文介紹的PCB布局指導(dǎo)方針，將獲得更高性能。
回路電流的路徑規(guī)劃常被忽視，但它對(duì)于優(yōu)化電源設(shè)計(jì)卻起著關(guān)鍵作用。此外，應(yīng)該盡量縮短且擴(kuò)寬與Cin1和CO1之間的接地走線，并直接連接裸焊盤(pán)，這對(duì)于具有較大交流電流的輸入電容(Cin1)接地連接尤為重要。
模塊中接地的引腳（包括裸焊盤(pán)）、輸入和輸出電容器、軟啟動(dòng)電容以及反饋電阻，都應(yīng)連至PCB上的回路層。此回路層可作為電感電流極低的返回路徑以及下文將談及的散熱裝置使用。
圖3 模塊及作為熱阻抗的PCB示意圖
反饋電阻也應(yīng)放置在盡可能靠近模塊FB（反饋）引腳的位置上。要將此高阻抗節(jié)點(diǎn)上的潛在噪聲提取值降至最低，令FB引腳與反饋電阻中間抽頭之間的走線盡可能短是至關(guān)重要的。可用的補(bǔ)償組件或前饋電容器應(yīng)該放置在盡可能靠近上層反饋電阻的位置上。
散熱設(shè)計(jì)建議
模塊的緊湊布局在電氣方面帶來(lái)好處的同時(shí)，對(duì)散熱設(shè)計(jì)造成了負(fù)面影響，等值的功率要從更小的空間耗散掉。考慮到這一問(wèn)題，SIMPLE SWITCHER電源模塊封裝的背面設(shè)計(jì)了一個(gè)單獨(dú)的大的裸焊盤(pán)，并以電氣方式接地。該焊盤(pán)有助于從內(nèi)部MOSFET（通常產(chǎn)生大部分熱量）到PCB間提供極低的熱阻抗。
從半導(dǎo)體結(jié)到這些器件外封裝的熱阻抗(θJC)為1.9℃/W。雖然達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的θJC值就很理想，但當(dāng)外封裝到空氣的熱阻抗(θCA)太大時(shí)，低θJC值也毫無(wú)意義！如果沒(méi)有提供與周圍空氣相通的低阻抗散熱路徑，則熱量就會(huì)聚集在裸焊盤(pán)上無(wú)法消散。那么，究竟是什么決定了θCA值呢？從裸焊盤(pán)到空氣的熱阻完全受PCB設(shè)計(jì)以及相關(guān)的散熱片的控制。
現(xiàn)在來(lái)快速了解一下如何進(jìn)行不含散熱片的簡(jiǎn)單PCB散熱設(shè)計(jì)，圖3示意了模塊及作為熱阻抗的PCB。與從結(jié)到裸片焊盤(pán)的熱阻抗相比，由于結(jié)與外封裝頂部間的熱阻抗相對(duì)較高，因此在第一次估計(jì)從結(jié)到周圍空氣的熱阻(θJT)時(shí)，我們可以忽略θJA散熱路徑。
散熱設(shè)計(jì)的第一步是確定要耗散的功率。利用數(shù)據(jù)表中公布的效率圖(η)即可輕松計(jì)算出模塊消耗的功率(PD)。
然后，我們使用設(shè)計(jì)中的最高溫度TAmbient和額定結(jié)溫TJunction(125℃)這兩個(gè)溫度約束來(lái)確定PCB上封裝的模塊所需的熱阻。
最后，我們使用PCB表面（頂層和底層上均具有未損壞的一盎司銅散熱片和無(wú)數(shù)個(gè)散熱孔）的對(duì)流熱傳遞的最大簡(jiǎn)化的近似值來(lái)確定散熱所需的板面積。
所需的PCB板面積近似值未考慮到散熱孔所發(fā)揮的作用，這些散熱孔將熱量從頂部金屬層（封裝連接至PCB）向底部金屬層傳遞。底層用作第二表面層，對(duì)流可以從這里將板上的熱量傳送出去。為了使板面積近似值有效，需使用至少8～10個(gè)散熱孔。散熱孔的熱阻近似于下列方程式值。
此近似值適用于直徑為12密爾、銅側(cè)壁為0.5盎司的典型直通孔。在裸焊盤(pán)下方的整個(gè)區(qū)域內(nèi)要盡可能多地設(shè)計(jì)一些散熱孔，并使這些散熱孔以1～1.5mm的間距形成陣列。
結(jié)論
SIMPLE SWITCHER電源模塊為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)，以及與直流/直流轉(zhuǎn)換器相關(guān)的典型的PCB布局提供了替代方案。雖然布局難題已被消除，但仍需完成一些工程設(shè)計(jì)工作，以便利用良好的旁路和散熱設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化模塊性能。
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