電路設計 - SIMPLE SWITCH電源的最佳PCB佈局方法

全球能源短缺問題促使世界各國政府大力實施新的節能政策。 電子產品的能耗標準越來越嚴格。 對於PCB設計工程師來說，如何設計出更高效、更高效能的電源是一個永恒的挑戰。 本文從電源PCB的佈局入手，介紹了SIMPLE SWITCH電源模組性能優化的最佳PCB佈局方法、實例和科技。

在規劃電源佈局時，首先要考慮的是兩個開關電流回路的物理回路面積。 儘管這些回路區域在電源模組中基本上是不可見的，但瞭解兩個回路各自的電流路徑仍然很重要，因為它們將延伸到模塊之外。 在圖1所示的回路1中，電流自導輸入旁路電容器（Cin1）在高側MOSFET的連續導通時間期間通過MOSFET到達內部電感器和輸出旁路電容器，最後返回輸入旁路電容。

環路2是在內部高側MOSFET的截止時間和低側MOSFET導通時間期間形成的。 存儲在內部電感器中的能量流經輸出旁路電容器和低側MOSFET，最終返回GND（如圖1所示）。 兩個回路彼此不重疊的區域（包括回路之間的邊界）是高di/dt電流區域。 輸入旁路電容器（Cin1）在向轉換器提供高頻電流並將高頻電流返回到其源路徑中起著關鍵作用。

儘管輸出旁路電容器（Co1）不會帶來大的AC電流，但它起到了開關雜訊的高頻濾波器的作用。 鑒於上述原因，模塊上的輸入和輸出電容器應盡可能靠近其各自的VIN和VOUT引脚。 如圖2所示，如果旁路電容器及其各自的VIN和VOUT引脚之間的跡線盡可能地縮短和加寬，則這些連接產生的電感可以最小化。

最小化PCB佈局中的電感有兩個主要好處。 首先，通過促進Cin1和CO1之間的能量轉移來提高組件效能。 這將確保模塊具有良好的高頻旁路，並將高di/dt電流產生的感應電壓峰值降至最低。 同時，可以將器件雜訊和電壓應力降至最低，以確保其正常工作。 其次，儘量減少EMI。

連接具有較小寄生電感的電容器將對高頻表現出低阻抗特性，從而减少傳導輻射。 建議使用陶瓷電容器（X7R或X5R）或其他低ESR電容器。 只有當額外的電容靠近GND和VIN端子時，額外的輸入電容才能有效。 SIMPLE SWITCHER電源模組經過獨特設計，具有低輻射和傳導EMI。 請遵循本文中介紹的PCB佈局指南，以實現更高的效能。

回路電流的路徑規劃經常被忽視，但它在優化電源設計中起著關鍵作用。 此外，Cin1和CO1之間的接地跡線應盡可能縮短和加寬，並直接連接到暴露的焊盤。 這對於具有大AC電流的輸入電容器（Cin1）的接地連接來說尤其重要。

模塊中的接地引脚（包括暴露的焊盤）、輸入和輸出電容器、軟啟動電容器和迴響電阻器都應連接到PCB上的環路層。 該環路層可用作具有極低電感電流的返回路徑，並可用作將在下麵討論的散熱器。

迴響電阻器也應盡可能靠近模塊的FB（迴響）引脚。 為了最小化該高阻抗節點上的潜在雜訊選取，重要的是保持FB引脚和迴響電阻器的中間抽頭之間的跡線盡可能短。 可用的補償元件或前饋電容器應盡可能靠近上迴響電阻器。

熱力設計建議

雖然模塊的緊湊佈局在電力方面帶來了好處，但它也對散熱設計產生了負面影響，並且等效功率必須從更小的空間耗散。 考慮到這個問題，在SIMPLE SWITCHER電源模組封裝的背面設計了一個大的暴露焊盤，該焊盤是電接地的。 該焊盤有助於提供從內部MOSFET（通常產生大部分熱量）到PCB的極低熱阻。

這些器件從電晶體結到外封裝的熱阻抗（JC）為1.9°C/W。儘管達到行業領先的JC值是理想的，但當封裝到空氣的熱阻（CA）過大時，低JC值毫無意義！ 如果沒有到周圍空氣的低阻抗散熱路徑，熱量將聚集在暴露的焊盤上，無法消散。 那麼，究竟是什麼决定了CA的價值呢？ 從暴露的焊盤到空氣的熱阻完全由PCB設計和相關散熱器控制。

現在，讓我們快速瞭解如何在沒有散熱器的情况下進行簡單的PCB散熱設計。 圖3顯示了作為熱阻抗的模塊和PCB。 與從結到管芯焊盤的熱阻相比，由於結和外封裝頂部之間的熱阻相對較高，我們可以首次忽略從結到周圍空氣的熱阻（JT）JA散熱路徑。

熱設計的第一步是確定要耗散的功率。 模塊消耗的功率（PD）可以使用資料表中公佈的效率圖（島）輕鬆計算。

然後，我們使用兩個溫度約束，即設計中的最高溫度T環境和額定結溫T函數（125°C），來確定封裝在PCB上的模塊所需的熱阻。

最後，我們使用PCB表面對流傳熱的最大簡化近似值（頂層和底層都有未損壞的一盎司銅散熱器和無數散熱孔）來確定散熱所需的板面積。

所需PCB面積的近似值沒有考慮散熱孔所起的作用，散熱孔將熱量從頂部金屬層（封裝連接到PCB）傳遞到底部金屬層。 底層用作第二表面層，對流可以從該第二表面傳遞來自板的熱量。 為了使近似的板面積有效，必須使用至少8到10個散熱孔。 散熱孔的熱阻近似於以下方程的值。

該近似值適用於直徑為12密耳、銅側壁為0.5盎司的典型通孔。 在暴露的焊盤下方的整個區域中設計盡可能多的散熱孔，並使這些散熱孔形成間距為1至1.5mm的陣列。

總之

SIMPLE SWITCHER電源模組為複雜的電源設計和與DC/DC轉換器相關的典型PCB佈局提供了一種替代方案。 儘管佈局問題已經消除，但為了優化具有良好旁路和散熱設計的模塊的效能，仍需要完成一些工程設計工作。