在當今這個競爭激烈的時代,產品設計人員面臨的挑戰是:不僅要緊跟同行步伐,而且要保持領先群雄的地位。這就對那些欲借助差異化產品進行創新的系統設計人員提出了更高的要求。

創新的一種重要方法是使用高密度設計。為推出占位面積更小的解決方案,電源系統設計人員現在正集中研究功率密度(一個功率轉換器電路每單位面積或體積的輸出功率)的問題。

高密度直流/直流(dcdc)轉換器印刷電路板(pcb)布局最引人矚目的范例涉及功率級組件的放置和布線。精心的布局可同時提高開關性能、降低組件溫度并減少電磁干擾(EMI)信號。

請細看圖1中的功率級布局和原理圖。

 

 

 圖1:四開關降壓-升壓型轉換器功率級布局和原理圖

由此看來,這些都是設計高密度dcdc轉換器時所面臨的挑戰:


組件技術

組件技術的進步是降低整體功耗的關鍵,尤其在較高的開關頻率下對濾波器無源組件的尺寸減小更是至關重要。

例如,功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)已見證了硅芯片和封裝方面的一致進展,其中最值得注意的是采用了極少出現寄生現象的氮化鎵(GaN)功率器件。

與此同時,磁性組件的性能也得到了單獨提升,雖然其速度可能落后于功率半導體組件的性能提升速度。

憑借控制集成電路(IC)的謹慎布局(集成式自適應柵極驅動器靠近MOSFET),在很多情況下無需再用功率耗散緩沖器或柵極電阻器組件進行開關節點電壓轉換速率的調整。


散熱設計

雖然高密度布局一般有利于提升轉換效率,但它可能會形成一個散熱性能瓶頸。要在更小的占位空間內實現相同功耗的想法變得站不住腳。

組件溫度攀升會使較高的故障率和可靠性問題更嚴重。把外形較纖薄的功率MOSFET放置在pcb頂部(不會被電感器和電解電容器等較厚的組件遮蔽氣流)有助于通過對流氣流提高散熱性能。

就圖1中的轉換器而言,電感器和電解電容器被特意放在了多層pcb的底部,因為如果置于頂部,它們會妨礙熱傳遞。


抗EMI性能

EMI合規性是產品設計周期中的一個重要里程碑。高密度設計通常沒有多少可用于EMI濾波的空間。但嚴密的布局可改善輻射發射狀況,并對傳送進來的干擾產生更強的抵御能力。

兩個基本步驟是:最大限度地減少載有大di/dt電流的環路面積(見圖1中的白色電流路徑),并縮減具有高dv/dt電壓的表面積(見圖1中的覆銅多邊形SW1和SW2)。


高密度pcb設計流程

顯然,對電源系統設計人員來說,培養和磨礪自己的pcb設計技能非常重要。盡管布局的職責往往會委托給布局專家,但工程師仍承擔著審查設計并且非正式批準它的最終責任。


DC/DC 轉換器pcb設計流程的基本步驟:


1. 選擇pcb結構和層疊規范。

2. 從原理圖中找出大di/dt電流環路和高dv/dt電壓節點。

3. 進行功率級組件的布局和放置。

4. 放置控制IC并完成控制部分布局。

5. 進行關鍵的跟蹤布線,包括MOSFET柵極驅動、電流檢測和輸出電壓反饋。

6. 設計電源和接地(GND)層。


在電路板上具有戰略意義的位置靈活部署轉換器的能力也很重要 —— 以大電流負載點(POL)模塊為例,處于鄰近負載的最佳位置可降低導通壓降并改善負載瞬態性能。

請細看圖2中外形微縮的降壓型轉換器的功率級布局。作為一個嵌入式POL模塊實施方案,它采用了一個全陶瓷電容器設計、一個高效屏蔽式電感器、若干垂直堆疊的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、一個電壓模式控制器以及一個具有2盎司覆銅的六層pcb。  

圖2:25A同步降壓型轉換器pcb布局和實施方案

本設計的主要原則是實現高功率密度和低材料清單(BOM)成本。它總共占用的pcb面積為2.2cm2(0.34in2),每單位面積產生的有效電流密度為11.3A/cm2(75A/in2)。3.3V輸出時每單位體積的功率密度為57W/in2(930W/in3)。

為達到高功率密度,通常的做法是增加開關頻率。相比之下,您可通過具有戰略意義的組件選擇來實現小型化,同時保持300kHz的較低開關頻率,旨在減少MOSFET開關損耗和電感器磁芯損耗等與頻率成比例的損失。表1列出了本設計的基本組件。

  

表1:POL模塊組件、封裝大小和推薦的焊盤尺寸 


高密度pcb設計的價值主

顯然,pcb是一個設計中的重要(有時是最昂貴的)組件。為高密度dcdc轉換器精心策劃并認真實施的pcb布局的價值主張在于:

在空間受限型設計(縮減的解決方案體積和占位面積)中實現更多的功能。

減小開關環路的寄生電感,有助于:

減少功率MOSFET電壓應力(開關節點電壓尖峰)和鳴響,降低開關損耗,減少電磁干擾(EMI)、磁場耦合和輸出噪聲信號,額外的容限可確保在輸入軌瞬態電壓干擾中安然無恙(特別是在寬VIN范圍的應用里),增加可靠性和穩健性(降低組件溫度)。

通過縮小pcb、減少濾波組件并去除緩沖器來節約成本,與眾不同的設計可提供競爭優勢、贏得客戶關注并增加收入。

公平地說,pcb布局可決定一個開關功率轉換器最終實現的性能。當然,不必花無數個小時為EMI、噪聲、信號完整性以及與較差布局相關的其它問題進行調試,這會讓設計人員感到非常高興。

 

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