DC/DC轉(zhuǎn)換器的高密度印刷電路板布局——第2部分
發(fā)布時間:2020-12-24 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】正如筆者在第1部分中所提,專用于電源管理的印刷電路板(PCB)面積對系統(tǒng)設(shè)計人員而言是極大的約束。降低轉(zhuǎn)換損耗是一項(xiàng)基本要求,以便能在PCB基板面有限的空間受約束型應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)緊湊的方案。
在電路板上具有戰(zhàn)略意義的位置靈活部署轉(zhuǎn)換器的能力也很重要 —— 以大電流負(fù)載點(diǎn)(POL)模塊為例,處于鄰近負(fù)載的最佳位置可降低導(dǎo)通壓降并改善負(fù)載瞬態(tài)性能。
請細(xì)看圖1中外形微縮的降壓型轉(zhuǎn)換器的功率級布局。作為一個嵌入式POL模塊實(shí)施方案,它采用了一個全陶瓷電容器設(shè)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(dǎo)體場效應(yīng)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1:25A同步降壓型轉(zhuǎn)換器PCB布局和實(shí)施方案
本設(shè)計的主要原則是實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(dá)到高功率密度,通常的做法是增加開關(guān)頻率。相比之下,您可通過具有戰(zhàn)略意義的組件選擇來實(shí)現(xiàn)小型化,同時保持300kHz的較低開關(guān)頻率,旨在減少M(fèi)OSFET開關(guān)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(shè)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(shè)計的價值主張
顯然,PCB是一個設(shè)計中的重要(有時是最昂貴的)組件。為高密度DC/DC轉(zhuǎn)換器精心策劃并認(rèn)真實(shí)施的PCB布局的價值主張在于:
● 在空間受限型設(shè)計(縮減的解決方案體積和占位面積)中實(shí)現(xiàn)更多的功能。
● 減小開關(guān)環(huán)路的寄生電感,有助于:
● 減少功率MOSFET電壓應(yīng)力(開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰)和鳴響。
● 降低開關(guān)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(tài)電壓干擾中安然無恙(特別是在寬VIN范圍的應(yīng)用里)。
● 增加可靠性和穩(wěn)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(jié)約成本。
● 與眾不同的設(shè)計可提供競爭優(yōu)勢、贏得客戶關(guān)注并增加收入。
公平地說,PCB布局可決定一個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器最終實(shí)現(xiàn)的性能。當(dāng)然,不必花無數(shù)個小時為EMI、噪聲、信號完整性以及與較差布局相關(guān)的其它問題進(jìn)行調(diào)試,這會讓設(shè)計人員感到非常高興。
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