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　　对于功率转换器✿ღღ★，寄生参数最小的热回路PCB布局能够改善能效比✿ღღ★，降低电压振铃✿ღღ★，并减少电磁干扰(EMI)✿ღღ★。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✿ღღ★。本文研究并比较了影响因素✿ღღ★，包括解耦电容位置✿ღღ★、功率FET尺寸和位置以及过孔布置bifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★。通过实验验证了分析结果✿ღღ★，并总结了最小化PCB ESR和ESL的有效方法✿ღღ★。

　　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✿ღღ★。它是功率级PCB布局的最关键部分✿ღღ★，因为它包含高dv/dt和di/dt噪声成分✿ღღ★。设计不佳的热回路布局会产生较大的PCB寄生参数✿ღღ★，包括ESL✿ღღ★、ESR和等效并联电容(EPC)✿ღღ★，这些参数对功率转换器的效率✿ღღ★、开关性能和EMI性能有重大影响✿ღღ★。

　　图1显示了同步降压DC-DC转换器原理图✿ღღ★。热回路由MOSFET M1和M2以及解耦电容CIN形成✿ღღ★。M1和M2的开关动作会产生高频di/dt和dv/dt噪声✿ღღ★。CIN提供了一个低阻抗路径来旁路高频噪声成分✿ღღ★。然而✿ღღ★，器件封装内和热回路PCB走线上存在寄生阻抗（ESR✿ღღ★、ESL）✿ღღ★。高di/dt噪声通过ESL会引起高频振铃必发在线登录✿ღღ★，✿ღღ★，进而导致EMI必发唯一登录✿ღღ★。✿ღღ★。ESL中存储的能量在ESR上耗散✿ღღ★，导致额外的功率损耗✿ღღ★。因此✿ღღ★，应尽量减小热回路PCB的ESR和ESL✿ღღ★，以减少高频振铃并提高效率bifa·必发(唯一)中国官方网站必发✿ღღ★。

　　准确提取热回路的ESR和ESL✿ღღ★，有助于预测开关性能并改进热回路设计✿ღღ★。器件的封装和PCB走线均会影响回路的总寄生参数✿ღღ★。本文主要关注PCB布局设计✿ღღ★。有一些工具可帮助用户提取PCB寄生参数✿ღღ★，例如Ansys Q3D✿ღღ★、FastHenry/FastCap✿ღღ★、StarRC等✿ღღ★。Ansys Q3D之类的商用工具可提供准确的仿真✿ღღ★，但通常价格昂贵✿ღღ★。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✿ღღ★，可以通过编程提供灵活的仿真来探索不同的版图设计bifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★，但需要额外的编程蜜芽my77738✿ღღ★。FastHenry/FastCap寄生参数提取的有效性和准确性已经过验证✿ღღ★，并与Ansys Q3D进行了比较✿ღღ★，结果一致✿ღღ★。在本文中✿ღღ★，FastHenry用作提取PCB ESR和ESL的经济高效的工具✿ღღ★。

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

　　为了通过实验验证不同热回路的ESR和ESL✿ღღ★，我们测试了12V转1V CCM运行时演示板的效率和VIN交流纹波✿ღღ★。理论上✿ღღ★，ESR越低✿ღღ★，则效率越高✿ღღ★，而ESL越小✿ღღ★，则VSW振铃频率越高✿ღღ★，VIN纹波幅度越低✿ღღ★。图5a显示了实测效率✿ღღ★。垂直热回路1的效率最高✿ღღ★，因为其ESR最低蜜芽my77738✿ღღ★。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✿ღღ★，这与图5b所示的测试结果一致✿ღღ★。图5c中的VINHF纹波波形是在CIN上测试的✿ღღ★。水平热回路具有更高的VIN纹波幅度和更低的振铃频率✿ღღ★，因此验证了其回路ESL高于垂直热回路1✿ღღ★。另外✿ღღ★，由于回路ESR更高✿ღღ★，因此水平热回路的VIN纹波衰减速度快于垂直热回路1✿ღღ★。此外✿ღღ★，较低的VIN纹波降低了EMI✿ღღ★，因而可以使用较小的EMI滤波器✿ღღ★。

　　图5.演示板测试结果✿ღღ★：(a)效率✿ღღ★，(b)水平回路与垂直回路1之间的损耗差异✿ღღ★，(c)15A输出时M1导通期间的VIN纹波

　　对于分立式设计✿ღღ★，功率FET的布置和封装尺寸对热回路ESR和ESL也有重大影响✿ღღ★。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✿ღღ★。图6比较了常见功率FET封装尺寸和放置位置✿ღღ★。表2显示了每种情况下提取的ESR和ESL✿ღღ★。

　　情况(a)至(c)展示了三种常见功率FET布置✿ღღ★，其中采用5 mm × 6 mm MOSFETbifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★。热回路的物理长度决定了寄生阻抗蜜芽my77738✿ღღ★。与情况(a)相比蜜芽my77738✿ღღ★，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✿ღღ★，导致ESR降低60%✿ღღ★，ESL降低80%✿ღღ★。由于90°形状布置显示出了优势✿ღღ★，我们基于情况(b)研究了更多情况✿ღღ★，以进一步降低回路ESR和ESL✿ღღ★。情况(d)将一个5 mm × 6 mm MOSFET替换为两个并联的3.3mm × 3.3mm MOSFET✿ღღ★。由于MOSFET尺寸更小✿ღღ★，回路长度进一步缩短✿ღღ★，导致回路阻抗降低7%✿ღღ★。情况(e)将一个接地层放置在热回路层下方✿ღღ★，与情况(d)相比✿ღღ★，热回路ESR和ESL进一步降低2％✿ღღ★。原因是接地层上产生了涡流✿ღღ★，其感应出相反的磁场✿ღღ★，相当于降低了回路阻抗✿ღღ★。情况(f)构建了另一个热回路层作为底层✿ღღ★。如果将两个并联MOSFET对称布置在顶层和底层✿ღღ★，并通过过孔连接✿ღღ★，则由于并联阻抗✿ღღ★，热回路PCB ESR和ESL的降低更加明显✿ღღ★。因此✿ღღ★，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积体电路✿ღღ★，✿ღღ★，可以获得最低的PCB ESR和ESL✿ღღ★。

　　为了通过实验验证MOSFET布置的影响✿ღღ★，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✿ღღ★。如图 7a和图7b所示✿ღღ★，DC2825A采用直线MOSFET布置bifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★！✿ღღ★，DC2626A采用90°形状的MOSFET布置✿ღღ★。为了进行公平比较✿ღღ★，两个演示板配置了相同的MOSFET和解耦电容✿ღღ★，并在36V转12V/10A✿ღღ★、300 kHz降压操作下进行了测试✿ღღ★。图7c显示了M1导通时刻测得的VIN交流纹波✿ღღ★。采用90°形状的MOSFET布置时✿ღღ★，VIN纹波的幅度更低✿ღღ★，谐振频率更高✿ღღ★，这就验证了热回路路径较短导致PCB ESL更小✿ღღ★。相反✿ღღ★，直线MOSFET布置的热回路更长✿ღღ★，ESL更高✿ღღ★，导致VIN纹波幅度要高得多✿ღღ★，并且谐振频率更低✿ღღ★。根据Cho和Szokusha研究的EMI测试结果✿ღღ★，较高的输入电压纹波还会导致EMI辐射更严重✿ღღ★。

　　热回路中的过孔布局对回路ESR和ESL也有重要影响✿ღღ★。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✿ღღ★。FET放置在顶层bifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★，第二层是接地层✿ღღ★。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✿ღღ★，作为示例进行研究✿ღღ★。Z2是从FastHenry提取的✿ღღ★。表3总结并比较了不同过孔布置的仿线✿ღღ★。通常✿ღღ★，添加更多过孔会降低PCB寄生阻抗✿ღღ★。然而✿ღღ★，ESR2和ESL2的降低程度与过孔数量并不是线性比例关系✿ღღ★。靠近引脚焊盘的过孔✿ღღ★，所导致的PCB ESR和ESL的降低最明显✿ღღ★。因此蜜芽my77738✿ღღ★，对于热回路布局设计✿ღღ★，必须将几个关键过孔布置在靠近CIN和MOSFET焊盘的位置bifa·必发(唯一)中国官方网站✿ღღ★，以使高频回路阻抗最小✿ღღ★。

　　减小热回路的寄生参数有助于提高电源效率蜜芽my77738✿ღღ★，降低电压振铃✿ღღ★，并减少EMI✿ღღ★。为了尽量减小PCB寄生参数✿ღღ★，我们研究并比较了使用不同解耦电容位置✿ღღ★、MOSFET尺寸和位置以及过孔布置的热回路布局设计✿ღღ★。更短的热回路路径蜜芽my77738✿ღღ★、更小尺寸的MOSFET✿ღღ★、对称的90°形状和180°形状MOSFET布置✿ღღ★、靠近关键元器件的过孔✿ღღ★，均有助于实现最低的热回路PCB ESR和ESL✿ღღ★。