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          如何通過最小化熱回路PCB ESR和ESL來優(yōu)化開關(guān)電源布局

          作者:ADI產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)工程師Jingjing Sun,ADI產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理Ling Jiang,ADI產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)總監(jiān)Henry Zhang 時(shí)間:2023-02-01 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          問題:

          能否優(yōu)化開關(guān)電源的效率? 

          答案:

          當(dāng)然可以,最小化ESL是優(yōu)化效率的重要方法。 

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202302/442889.htm

          簡介

          對于功率轉(zhuǎn)換器,寄生參數(shù)最小的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(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)來優(yōu)化布局設(shè)計(jì)。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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果,并總結(jié)了最小化ESL的有效方法。

           熱回路和PCB布局寄生參數(shù)

          開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)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(jí)PCB布局的最關(guān)鍵部分,因?yàn)樗?/span>dv/dtdi/dt噪聲成分。設(shè)計(jì)不佳的熱回路布局會(huì)產(chǎn)生較大的PCB寄生參數(shù),包括ESL、ESR和等效并聯(lián)電容(EPC),這些參數(shù)對功率轉(zhuǎn)換器的效率、開關(guān)性能和EMI性能有重大影響。

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          1.帶熱回路ESRESL的降壓轉(zhuǎn)換器 

          1顯示了同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖。熱回路由MOSFET M1M2以及解耦電容CIN形成。M1M2的開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生高頻di/dtdv/dt噪聲。CIN提供了一個(gè)低阻抗路徑來旁路高頻噪聲成分。然而,器件封裝內(nèi)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(huì)引起高頻振鈴,進(jìn)而導(dǎo)致EMI。ESL中存儲(chǔ)的能量在ESR上耗散,導(dǎo)致額外的功率損耗。因此,應(yīng)盡量減小熱回路PCBESRESL,以減少高頻振鈴并提高效率。 

          準(zhǔn)確提取熱回路的ESRESL,有助于預(yù)測開關(guān)性能并改進(jìn)熱回路設(shè)計(jì)。器件的封裝和PCB走線均會(huì)影響回路的總寄生參數(shù)。本文主要關(guān)注PCB布局設(shè)計(jì)。有一些工具可幫助用戶提取PCB寄生參數(shù),例如Ansys Q3D、FastHenry/FastCapStarRC等。Ansys Q3D之類的商用工具可提供準(zhǔn)確的仿真,但通常價(jià)格昂貴。FastHenry/FastCap是一款基于部分元件等效電路(PEEC)數(shù)值建模的免費(fèi)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(shè)計(jì),但需要額外的編程。FastHenry/FastCap寄生參數(shù)提取的有效性和準(zhǔn)確性已經(jīng)過驗(yàn)證,并與Ansys Q3D進(jìn)行了比較,結(jié)果一致2,3 。在本文中,FastHenry用作提取ESL的經(jīng)濟(jì)高效的工具。 

          熱回路PCBESRESL與解耦電容位置的關(guān)系

          本部分基于ADILTM4638 μModule?穩(wěn)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(zhuǎn)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(tài)響應(yīng)和高效率特性。模塊內(nèi)部集成了一個(gè)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(wěn)壓器下方的底層。μModule VINGND 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(wěn)壓器的側(cè)面區(qū)域。其結(jié)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(yù)計(jì)ESLESR更大。第三種熱回路選項(xiàng)是水平熱回路(圖4),其中CIN3放置在靠近μModule穩(wěn)壓器的頂層。μModule VINGND引腳通過頂層銅連接到CIN3,而不經(jīng)過過孔。然而,頂層的VIN銅寬度受其他引腳排列的限制,導(dǎo)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 ESRESL。正如預(yù)期的那樣,垂直熱回路1PCB ESRESL最低。

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          2.垂直熱回路1(a)俯視圖和(b)側(cè)視圖

           

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          3.垂直熱回路2(a)俯視圖和(b)側(cè)視圖 


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          4.水平熱回路:(a)俯視圖和(b)側(cè)視圖

           

          1.使用FastHenry提取的不同熱回路的PCB ESRESL

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          為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同熱回路的ESRESL,ADI測試了12V轉(zhuǎn)1V CCM運(yùn)行時(shí)演示板的效率和VIN交流紋波。理論上,ESR越低,則效率越高,而ESL越小,則VSW振鈴頻率越高,VIN紋波幅度越低。圖5a顯示了實(shí)測效率。垂直熱回路1的效率最高,因?yàn)槠?/span>ESR最低。水平熱回路和垂直熱回路1之間的損耗差異也是基于提取的ESR計(jì)算的,這與圖5b所示的測試結(jié)果一致。圖5c中的VIN HF紋波波形是在CIN上測試的。水平熱回路具有更高的VIN紋波幅度和更低的振鈴頻率,因此驗(yàn)證了其回路ESL高于垂直熱回路1。另外,由于回路ESR更高,因此水平熱回路的VIN紋波衰減速度快于垂直熱回路1。此外,較低的VIN紋波降低了EMI,因而可以使用較小的EMI濾波器。

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          5.演示板測試結(jié)果:(a)效率,(b)水平回路與垂直回路1之間的損耗差異,(c) 15 A輸出時(shí)M1導(dǎo)通期間的VIN紋波 

          熱回路PCB ESRESLMOSFET尺寸和位置的關(guān)系

          對于分立式設(shè)計(jì),功率FET的布置和封裝尺寸對熱回路ESRESL也有重大影響。本部分ADI對使用功率FET M1M2以及解耦電容CIN的典型半橋熱回路進(jìn)行了建模和研究。圖6比較了常見功率FET封裝尺寸和放置位置。表2顯示了每種情況下提取的ESRESL。

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          6.熱回路PCB模型:(a) 5mm × 6mm MOSFET,直線布置;(b) 5mm × 6mm MOSFET,以90°形狀布置;(c) 5mm × 6mm MOSFET,以180°形狀布置;(d) 兩個(gè)并聯(lián)的3.3mm × 3.3mm MOSFET,以90°形狀布置;(e) 兩個(gè)并聯(lián)的3.3mm × 3.3mm MOSFET,以90°形狀布置,帶有接地層;(f) 對稱的3.3mm × 3.3mm MOSFET,位于頂層和底層,以90°形狀布置。

           

          2.對于不同器件形狀和位置,使用FastHenry提取的熱回路PCB ESRESL

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          情況(a)(c)展示了三種常見功率FET布置,其中采用5mm × 6mm MOSFET。熱回路的物理長度決定了寄生阻抗。與情況(a)相比,情況(b)中的90°形狀布置和情況(c)中的180°形狀布置的回路路徑更短,導(dǎo)致ESR降低60%,ESL降低80%。由于90°形狀布置顯示出了優(yōu)勢,可基于情況(b)研究更多情況,以進(jìn)一步降低回路ESRESL。情況(d)將一個(gè)5mm × 6mm MOSFET替換為兩個(gè)并聯(lián)的3.3mm × 3.3mm MOSFET。由于MOSFET尺寸更小,回路長度進(jìn)一步縮短,導(dǎo)致回路阻抗降低7%。情況(e)將一個(gè)接地層放置在熱回路層下方,與情況(d)相比,熱回路ESRESL進(jìn)一步降低2%。原因是接地層上產(chǎn)生了渦流,其感應(yīng)出相反的磁場,相當(dāng)于降低了回路阻抗。情況(f)構(gòu)建了另一個(gè)熱回路層作為底層。如果將兩個(gè)并聯(lián)MOSFET對稱布置在頂層和底層,并通過過孔連接,則由于并聯(lián)阻抗,熱回路PCB ESRESL的降低更加明顯。因此,在頂層和底層上以對稱90°形狀或180°形狀布置較小尺寸的器件,可以獲得最低的PCB ESRESL 

          為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證MOSFET布置的影響,可以使用ADI的高效率4開關(guān)同步降壓-升壓控制器演示板LT8390/DC2825ALT8392/DC2626A4。如圖7a和圖7b所示,DC2825A采用直線MOSFET布置,DC2626A采用90°形狀的MOSFET布置。為了進(jìn)行公平比較,兩個(gè)演示板配置了相同的MOSFET和解耦電容,并在36V轉(zhuǎn)12V/10A、300kHz降壓操作下進(jìn)行了測試。圖7c顯示了M1導(dǎo)通時(shí)刻測得的VIN交流紋波。采用90°形狀的MOSFET布置時(shí),VIN紋波的幅度更低,諧振頻率更高,這就驗(yàn)證了熱回路路徑較短導(dǎo)致PCB ESL更小。相反,直線MOSFET布置的熱回路更長,ESL更高,導(dǎo)致VIN紋波幅度要高得多,并且諧振頻率更低。根據(jù)ChoSzokusha研究的EMI測試結(jié)果,較高的輸入電壓紋波還會(huì)導(dǎo)致EMI輻射更嚴(yán)重4。

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          7.(a) LT8390/DC2825A熱回路MOSFET以直線布置;(b) LT8392/DC2626A熱回路,MOSFET90°形狀布置(c) M1導(dǎo)通時(shí)的VIN紋波波形。

          熱回路PCBESRESL與過孔布置的關(guān)系

          熱回路中的過孔布局對回路ESRESL也有重要影響。圖8對使用兩層PCB結(jié)構(gòu)和直線布置功率FET的熱回路進(jìn)行了建模。FET放置在頂層,第二層是接地層。CIN GND焊盤和M2源極焊盤之間的寄生阻抗Z2是熱回路的一部分,作為示例進(jìn)行研究。Z2是從FastHenry提取的。表3總結(jié)并比較了不同過孔布置的仿真ESR2ESL2。

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          8.熱回路PCB模型,(a) 5個(gè)GND過孔靠近CINM2布置;(b) 14個(gè)GND過孔布置在CINM2之間;(c) 基于(b),GND上再布置6個(gè)過孔;(d) 基于(c),GND區(qū)域上再布置9個(gè)過孔。

          通常,添加更多過孔會(huì)降低PCB寄生阻抗。然而,ESR2ESL2的降低程度與過孔數(shù)量并不是線性比例關(guān)系??拷_焊盤的過孔,所導(dǎo)致的PCB ESRESL的降低最明顯。因此,對于熱回路布局設(shè)計(jì),必須將幾個(gè)關(guān)鍵過孔布置在靠近CINMOSFET焊盤的位置,以使高頻回路阻抗最小。

          3.使用不同過孔布置時(shí)提取的熱回路PCB ESR2ESL2

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          結(jié)論

          減小熱回路的寄生參數(shù)有助于提高電源效率,降低電壓振鈴,并減少EMI。為了盡量減小PCB寄生參數(shù),ADI研究并比較了使用不同解耦電容位置、MOSFET尺寸和位置以及過孔布置的熱回路布局設(shè)計(jì)。更短的熱回路路徑、更小尺寸的MOSFET、對稱的90°形狀和180°形狀MOSFET布置、靠近關(guān)鍵元器件的過孔,均有助于實(shí)現(xiàn)最低的熱回路PCB ESRESL

          參考資料

          1Mattan Kamon、Michael TsukJacob WhiteFASTHENRY: A Multipole-Accelerated 3-D Inductance Extraction Program.” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques42,1994年。

          2Andreas MusingJonas EkmanJohann W. Kolar。Efficient Calculation of Non-Orthogonal Partial Elements for the PEEC Method.” IEEE Transactions on Magnetics,452009年。

          3Ren Ren、Zhou DongFei Fred WangBridging Gaps in Paper Design Considering Impacts of Switching Speed and Power-Loop Layout.” IEEE,2020年。

          4Yonghwan ChoKeith Szolusha低輻射的4開關(guān)降壓-升壓型控制器布局——單熱回路與雙熱回路。模擬對話,55,20217月。

          5Henry J. Zhang。非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量。ADI公司2012年。

          6Christian Kueck。電源布局和EMIADI公司,2012年。 

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          關(guān)于ADI公司

          Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

          關(guān)于作者

          Jingjing Sun2022年畢業(yè)于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校,獲電氣工程博士學(xué)位。畢業(yè)后,她加入了ADI公司電源產(chǎn)品部,工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞灣區(qū)。她目前是一名高級(jí)應(yīng)用工程師,負(fù)責(zé)支持針對多市場應(yīng)用的μModule?產(chǎn)品。 

          Ling Jiang2018年畢業(yè)于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校,獲電氣工程博士學(xué)位。畢業(yè)后,她加入了ADI公司電源產(chǎn)品部,工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞灣區(qū)。她目前是一名應(yīng)用經(jīng)理,負(fù)責(zé)支持針對多市場應(yīng)用的μModule?產(chǎn)品。 

          Dr. Henry Zhang(張勁東博士)是ADIPower by Linear?應(yīng)用總監(jiān)。他于1994年獲得中國浙江大學(xué)頒發(fā)的電子工程學(xué)士學(xué)位,分別于1998年和2001年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)(黑堡)頒發(fā)的電子工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他于2001年加入凌力爾特(現(xiàn)在已成為ADI的一部分)。



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