在当今这个竞争激烈的时代,产品设计人员面临的挑战是:不仅要紧跟同行步伐,而且要保持领先群雄的地位。这就对那些欲借助差异化产品进行创新的系统设计人员提出了更高的要求。
创新的一种重要方法是使用高密度设计。为推出占位面积更小的解决方案,电源系统设计人员现在正集中研究功率密度(一个功率转换器电路每单位面积或体积的输出功率)的问题。
高密度直流/直流(DC/DC)转换器印刷电路板(PCB)布局最引人瞩目的范例涉及功率级组件的放置和布线。精心的布局可同时提高开关性能、降低组件温度并减少电磁干扰(EMI)信号。请细看图1中的功率级布局和原理图。
图1:四开关降压-升压型转换器功率级布局和原理图
在笔者看来,这些都是设计高密度DC/DC转换器时所面临的挑战:
考虑到这些挑战,笔者最近为EDN撰写了一个详细深入探讨PCB布局、由三部分组成的系列,标题为《DC/DC转换器PCB布局》。它包括一系列PCB布局指南,被规整成一个清单,以便在布局过程中帮助设计人员。DC/DC转换器PCB设计流程的基本步骤是:
1. 选择PCB结构和层叠规范。
2. 从原理图中找出大di/dt电流环路和高dv/dt电压节点。
3. 进行功率级组件的布局和放置。
4. 放置控制IC并完成控制部分布局。
5. 进行关键的跟踪布线,包括MOSFET栅极驱动、电流检测和输出电压反馈。
6. 设计电源和接地(GND)层。
正如笔者在第1部分中所提,专用于电源管理的印刷电路板(PCB)面积对系统设计人员而言是极大的约束。降低转换损耗是一项基本要求,以便能在PCB基板面有限的空间受约束型应用中实现紧凑的方案。
在电路板上具有战略意义的位置灵活部署转换器的能力也很重要 —— 以大电流负载点(POL)模块为例,处于邻近负载的最佳位置可降低导通压降并改善负载瞬态性能。
请细看图1中外形微缩的降压型转换器的功率级布局。作为一个嵌入式POL模块实施方案,它采用了一个全陶瓷电容器设计、一个高效屏蔽式电感器、若干垂直堆叠的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、一个电压模式控制器以及一个具有2盎司覆铜的六层PCB。
图1:25A同步降压型转换器PCB布局和实施方案
本设计的主要原则是实现高功率密度和低材料清单(BOM)成本。它总共占用的PCB面积为2.2cm2(0.34in2),每单位面积产生的有效电流密度为11.3A/cm2(75A/in2)。3.3V输出时每单位体积的功率密度为57W/in2(930W/in3)。
为达到高功率密度,通常的做法是增加开关频率。相比之下,您可通过具有战略意义的组件选择来实现小型化,同时保持300kHz的较低开关频率,旨在减少MOSFET开关损耗和电感器磁芯损耗等与频率成比例的损失。表1列出了本设计的基本组件。
动力传动系部件 |
封装和外形(mm) |
推荐的焊盘图案外部尺寸(mm) |
CSD86350Q5D NexFETÔ电源块 |
5.0 x 6.0 x 1.5 (SON5x6) |
5.15 x 6.24 |
LM27402 3V-20V脉宽调变(PWM)控制器 |
4.0 x 4.0 x 0.8 (WQFN-16) |
4.2 x 4.2 |
0.68µH、1.6mΩ、33A滤波器电感器 |
11.5 x 10.3 x 4.0 |
4.1 x 13.6 |
22μF输入和47μF输出X5R电容器 |
2.0 x 1.25 x 1.35 (0805) |
2.2 x 1.3 |
终端连接 |
2.0 x 3.0 |
2.0 x 3.0(在主机板上) |
表1:POL模块组件、封装大小和推荐的焊盘尺寸
高密度PCB设计的价值主张
显然,PCB是一个设计中的重要(有时是最昂贵的)组件。为高密度DC/DC转换器精心策划并认真实施的PCB布局的价值主张在于:
公平地说,PCB布局可决定一个开关功率转换器最终实现的性能。当然,不必花无数个小时为EMI、噪声、信号完整性以及与较差布局相关的其它问题进行调试,这会让设计人员感到非常高兴。