作者：ADI產品應用高級工程師Jingjing Sun，ADI產品應用經理Ling Jiang，ADI產品應用高級總監Henry Zhang

(相關資料圖)

問題：
能否優化開關電源的效率？

答案：
當然可以，最小化熱回路PCB ESR和ESL是優化效率的重要方法。

簡介

對于功率轉換器，寄生參數最小的熱回路PCB布局能夠改善能效比，降低電壓振鈴，并減少電磁干擾(EMI)。ADI將在本文討論如何通過最小化PCB的等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)來優化熱回路布局設計。文中研究并比較了影響因素，包括解耦電容位置、功率FET尺寸和位置以及過孔布置。通過實驗驗證了分析結果，并總結了最小化PCB ESR和ESL的有效方法。

熱回路和PCB布局寄生參數

開關模式功率轉換器的熱回路是指由高頻(HF)電容和相鄰功率FET形成的臨界高頻交流電流回路。它是功率級PCB布局的最關鍵部分，因為它包含高dv/dt和di/dt噪聲成分。設計不佳的熱回路布局會產生較大的PCB寄生參數，包括ESL、ESR和等效并聯電容(EPC)，這些參數對功率轉換器的效率、開關性能和EMI性能有重大影響。

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圖1顯示了同步降壓DC-DC轉換器原理圖。熱回路由MOSFET M1和M2以及解耦電容CIN形成。M1和M2的開關動作會產生高頻di/dt和dv/dt噪聲。CIN提供了一個低阻抗路徑來旁路高頻噪聲成分。然而，器件封裝內和熱回路PCB走線上存在寄生阻抗（ESR、ESL）。高di/dt噪聲通過ESL會引起高頻振鈴，進而導致EMI。ESL中存儲的能量在ESR上耗散，導致額外的功率損耗。因此，應盡量減小熱回路PCB的ESR和ESL，以減少高頻振鈴并提高效率。

準確提取熱回路的ESR和ESL，有助于預測開關性能并改進熱回路設計。器件的封裝和PCB走線均會影響回路的總寄生參數。本文主要關注PCB布局設計。有一些工具可幫助用戶提取PCB寄生參數，例如Ansys Q3D、FastHenry/FastCap、StarRC等。Ansys Q3D之類的商用工具可提供準確的仿真，但通常價格昂貴。FastHenry/FastCap是一款基于部分元件等效電路(PEEC)數值建模的免費工具1 ，可以通過編程提供靈活的仿真來探索不同的版圖設計，但需要額外的編程。FastHenry/FastCap寄生參數提取的有效性和準確性已經過驗證，并與Ansys Q3D進行了比較，結果一致2,3 。在本文中，FastHenry用作提取PCB ESR和ESL的經濟高效的工具。

熱回路PCB的ESR和ESL與解耦電容位置的關系

本部分基于ADI的LTM4638 μModule穩壓器演示板DC2665A-B來研究CIN位置的影響。LTM4638是一款集成式20VIN、15A降壓型轉換器模塊，采用小型6.25mm × 6.25mm × 5.02mm BGA封裝。它具有高功率密度、快速瞬態響應和高效率特性。模塊內部集成了一個小的高頻陶瓷CIN，不過受限于模塊封裝尺寸，這還不夠。圖2至圖4展示了演示板上的三種不同熱回路，這些熱回路使用了額外的外部CIN。第一種是垂直熱回路1（圖2），其中CIN1放置在μModule穩壓器下方的底層。μModule VIN和GND BGA引腳通過過孔直接連接到CIN1。這些連接提供了演示板上的最短熱回路路徑。第二種熱回路是垂直熱回路2（圖3），其中CIN2仍放置在底層，但移至μModule穩壓器的側面區域。其結果是，與垂直熱回路1相比，該熱回路添加了額外的PCB走線，預計ESL和ESR更大。第三種熱回路選項是水平熱回路（圖4），其中CIN3放置在靠近μModule穩壓器的頂層。μModule VIN和GND引腳通過頂層銅連接到CIN3，而不經過過孔。然而，頂層的VIN銅寬度受其他引腳排列的限制，導致回路阻抗高于垂直熱回路1。表1比較了FastHenry提取的熱回路 PCB ESR和ESL。正如預期的那樣，垂直熱回路1的PCB ESR和ESL最低。

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表1.使用FastHenry提取的不同熱回路的PCB ESR和ESL

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