【導讀】開關模式電源（開關電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來了挑戰，因為其應用已經延伸到新的領域。最明顯的是，其高頻切換會對系統的其他部分產生電磁干擾 (EMI)。此外，導致 EMI 的因素同樣也會降低效率，從而削弱開關電源關鍵的能效優勢。
開關模式電源（開關電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來了挑戰，因為其應用已經延伸到新的領域。最明顯的是，其高頻切換會對系統的其他部分產生電磁干擾 (EMI)。此外，導致 EMI 的因素同樣也會降低效率，從而削弱開關電源關鍵的能效優勢。
為了避免這些問題，設計人員在配置“熱回路”（電源電路中發生快速開關的部分）時必須特別小心。將等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL) 造成的熱回路寄生損耗降至最低至關重要。這可以通過選擇高度集成的電源元件和精心設計的印刷電路板（PC 板）布局來實現。
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 的高集成度電源轉換器實例，并介紹各種電路板布局及其對寄生參數的影響。最后還介紹了降低 ESR 和 ESL 的實用技巧。
開關電源熱回路基本原理
任何涉及快速開關電流的電源設計，如升壓、降壓升壓和反激式轉換器，都會出現高頻開關電流熱回路。這個概念可以通過一個簡化的降壓轉換器來說明（圖 1）。左側的回路（紅色）包含所有開關元件；電路產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域進行著大量的能量轉換和開關活動，而這些活動往往伴隨著熱量的產生。對這些熱回路進行合理布局和設計對于最大限度地減少 EMI 和確保電源的高效運行至關重要。
圖 2 中更為現實的電路是一個 DC-DC 同步降壓轉換器。在這個熱回路中，物理元件（標為黑色）是輸入電容器 (CIN) 和開關金屬氧化物半導體場效應晶體管 (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（以紅色顯示）。（圖片來源：Analog Devices）
熱回路中的寄生參數用紅色標出。ESL 通常在納亨 (nH) 范圍內，而 ESR 則在毫歐 (mΩ) 范圍內。高頻開關會導致 ESL 內產生瞬時振蕩，從而產生電磁干擾。儲存在 ESL 中的能量會被 ESR 消散，從而導致功率損耗。
利用集成元件可將寄生參數降至最低
這些寄生阻抗（ESR、ESL）會出現在元件內部和熱回路電路板印制線上。為了盡量減少這些參數，設計人員必須仔細選擇元件并優化電路板布局。
實現這兩個目標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) 開關穩壓器集成了開關控制器、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。
圖 3：LTM4638 μModule 穩壓器集成了降壓轉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：
· 快速瞬態響應：這可以使穩壓器根據負載或輸入的變化快速調整輸出電壓，并通過快速過渡到次優工作狀態，最大限度地縮短寄生損耗的持續時間并降低其影響。
· 斷續模式運行：這允許電感器電流在下一個開關周期開始前降至零。這種模式通常在輕負載條件下使用，通過在部分周期內使電感器斷電，從而減少電感器的開關和鐵損。
· 輸出電壓跟蹤：這能夠讓轉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降至最低
使用 LTM4638 構建同步降壓轉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產生重大影響。
Analog Devices 使用針對 LTM4638 的 DC2665A-B 評估板進行的實驗說明了 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 放在底層穩壓器的正下方或側面。水平熱回路（圖 6）將電容器置于頂層。
圖 4：垂直熱回路 1 底視圖和側視圖。CIN 位于穩壓器正下方，通過過孔連接。（圖片來源：Analog Devices）
圖 5：垂直熱回路 2 底視圖和側視圖。CIN 位于穩壓器下方，但在穩壓器旁邊，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視圖。CIN 位于頂層，通過印制線與穩壓器相連。（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，預計它的寄生參數最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫茲 (MHz) 的頻率分析每個熱回路，結果顯示情況確實如此（圖 7）。
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，但可以預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測，垂直熱回路 1 在這兩項指標上都有更好的表現（圖 8）。
圖 8：實驗結果證實，垂直熱回路 1 實現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
雖然集成器件具有許多優勢，但某些開關電源仍需要分立元件。例如，大功率應用可能會超出集成設備的能力。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 開關同步降壓升壓控制器：
· DC2825A 評估板基于 LT8390 降壓升壓穩壓器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
· DC2626A 評估板基于 LT8392 降壓升壓穩壓器。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 和電容器進行測試，在 10 A 和 300 千赫茲 (kHz) 頻率下進行 36 至 12 伏的降壓操作。結果表明，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，應在靠近關鍵元件（CIN 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生積極影響。優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損耗和熱應力。
· 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行互連，以盡量減少傳導損耗，并降低模塊熱應力。
· 不要將過孔直接放在焊盤上，除非對其進行封蓋或電鍍。
· 對于連接到信號引腳的組件，應使用獨立的信號接地銅區，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行監測。
· 保持時鐘信號與頻率輸入印制線之間的距離，以盡量減少串擾造成噪聲的可能性。
結語
熱回路中的寄生參數會嚴重影響開關電源的性能。盡量減少這些參數對于實現高效率和低 EMI 至關重要。
實現這些目標的最簡單方法之一就是使用集成穩壓器模塊。不過，開關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。
(作者：Kenton Williston)
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