如何通过最小化热回路PCB ESR和ESL来优化开关电源布局

作者：Jingjing Sun， Ling Jiang， and Henry Zhang

介绍

对于电源转换器，具有最小寄生参数的热回路PCB布局可以提高电源效率，降低电压振铃，并减少电磁干扰（EMI）。本文讨论如何通过最小化PCB等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）来优化热回路布局设计。本文研究并比较了影响因素，包括去耦电容位置、功率FET尺寸和位置以及过孔布局。通过实验验证了分析的有效性，总结了最小化PCB ESR和ESL的有效方法。

热回路和PCB布局寄生参数

开关模式功率转换器的热回路定义为由HF电容和相邻功率FET形成的关键高频（HF）交流电流环路。它是功率级PCB布局中最关键的部分，因为它包含高dv/dt和di/dt噪声成分。设计不佳的热回路布局会受到高水平的PCB寄生参数的影响，包括ESL、ESR和等效并联电容（EPC），这些参数对功率转换器的效率、开关性能和EMI性能有重大影响。

图1所示为同步降压DC-DC转换器原理图。热回路由MOSFET M1和M2以及去耦电容C形成在.M1 和 M2 的开关动作会产生高频 di/dt 和 dv/dt 噪声。C在提供低阻抗路径以旁路HF噪声成分。然而，寄生阻抗（ESR，ESL）存在于元件封装内和热回路PCB走线中。通过ESL的高di/dt噪声会导致HF振铃，进而产生EMI。存储在ESL中的能量在ESR上耗散，导致额外的功率损耗。因此，应尽量减少热回路PCB的ESR和ESL，以减少HF振铃并提高效率。

准确提取热回路ESR和ESL有助于预测开关性能并改进热回路设计。元件的封装和PCB走线都会影响总环路寄生参数。这项工作主要集中在PCB布局设计上.用户可以使用一些工具来提取PCB寄生参数，例如Ansys Q3D，FastHenry/FastCap，StarRC等。Ansys Q3D等商用工具可提供精确的仿真，但通常价格昂贵。FastHenry/FastCap是一款基于部分单元等效电路（PEEC）数值建模的免费工具1并且可以通过编程提供灵活的仿真，以探索不同的布局设计，尽管需要额外的编码。FastHenry/FastCap中寄生参数提取的有效性和准确性已经过验证，并与Ansys Q3D进行了比较，结果一致。2,3在本文中，FastHenry 被用作提取 PCB ESR 和 ESL 的经济高效的工具。

图1.具有热回路 ESR 和 ESL 的降压转换器。

热回路 PCB ESR 和 ESL 与去耦电容器位置的关系

在本节中，C 的影响在基于ADI公司的LTM4638μModule稳压器演示板DC2665A-B对位置进行了研究。LTM4638 是一款集成式 20 V®在、15 A 降压型降压转换器模块，采用微型 6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA 封装。它具有高功率密度、快速瞬态响应和高效率。该模块集成了一个小型HF陶瓷C在内部，虽然还不够，但受模块封装尺寸的限制。图 2 至 4 显示了演示板上的三种不同热回路以及额外的外部 C在.第一个是垂直热回路 1（图 2），其中 C合1放置在μModule稳压器正下方的底层。The µModule V在和接地 BGA 引脚连接到 C合1直接通过过孔。这些连接提供了演示板上最短的热回路路径。第二个热回路是垂直热回路 2（图 3），其中 CHNS仍放置在底层，但移至μModule稳压器的侧面区域。因此，在热回路中增加了一条额外的PCB走线，与垂直热回路1相比，预计ESL和ESR更大。第三个热回路选项是水平热回路（图 4），其中 CHNR放置在靠近μModule稳压器的顶层。The µModule V在和 GND 引脚连接到 CHNR通过顶层铜而不通过过孔。尽管如此，V在顶层的铜宽受另一个引脚排列的限制，导致与垂直热回路1相比，环路阻抗增加。表1比较了FastHenry提取的PCB ESR和热回路的ESL。正如预期的那样，垂直热回路 1 具有最低的 PCB ESR 和 ESL。

图2.垂直热回路 1：（a） 顶视图和 （b） 侧视图。


图3.垂直热回路 2：（a） 顶视图和 （b） 侧视图。


图4.水平热回路：（a） 顶视图和 （b） 侧视图。

为了实验验证不同热回路中的ESR和ESL，演示板效率和V在测试12 V至1 V CCM操作下的交流纹波。从理论上讲，较低的ESR导致更高的效率，而较小的ESL导致更高的V西 南部振铃频率和较低的V在涟漪幅度。图5a显示了测得的效率。垂直热回路 1 提供与最低 ESR 相对应的最高效率。水平热回路和垂直热回路1之间的损耗差也是基于提取的ESR计算的，这与图5b所示的测试结果一致。五世在图5c中的HF纹波波形是跨C测试的在.水平热回路具有更高的V在纹波幅度和较低的振铃频率，从而验证了与垂直热回路 1 相比更高的环路 ESL。此外，由于环路ESR较高，V在水平热回路中的波纹比垂直热回路 1 中的波纹衰减得更快。此外，较低的V在纹波可降低 EMI，并允许更小的 EMI 滤波器尺寸。

图5.演示板测试结果：（a） 效率，（b） 水平环路和垂直环路 1 之间的损耗差异，以及 （c） V在M1 导通期间纹波，输出电流为 15 A。

热回路 PCB ESR 和 ESL 与 MOSFET 的尺寸和位置

对于分立式设计，功率FET的布局和封装尺寸也会对热回路ESR和ESL产生重大影响。典型的半桥热回路，功率FET M1和M2以及去耦电容C在在本节中建模和调查。如图6所示，比较了常用的功率FET封装尺寸和放置位置。表 2 显示了每种情况下提取的 ESR 和 ESL。

案例（a）至（c）展示了三种流行的功率FET布局，分别采用5 mm×6 mm MOSFET。热回路的物理长度决定了寄生阻抗。因此，案例 （b） 中的 90° 形状放置和案例 （c） 中的 180° 形状设备放置都会导致 ESR 降低 60% 和 ESL 降低 80%，因为与案例 （a）中的环路路径相比更短。由于 90° 形状放置显示出好处，因此根据案例 （b）研究了更多案例，以进一步降低环路 ESR 和 ESL。在情况（d）中，5 mm × 6 mm MOSFET被两个并联的3.3 mm ×3.3 mm MOSFET取代。由于 MOSFET 占位面积更小，环路长度进一步缩短，从而将环路阻抗降低了 7%。在案例（e）中，当在热回路层下放置接地层时，与案例（d）相比，热回路ESR和ESL进一步降低了2%。原因是在接地层产生涡流，从而感应出相反的磁场并等效地降低环路阻抗。在情况（f）中，另一个热回路层被构造为底层。如果将两个并联的MOSFET对称放置在顶层和底层并通过过孔连接，则由于并联阻抗，热回路PCB ESR和ESL降低更为明显。因此，在顶层和底层具有对称 90° 形状或 180° 形状放置的较小尺寸器件可实现最低的 PCB ESR 和 ESL。

为了通过实验验证MOSFET布局的影响，使用了ADI公司的高效率、4开关同步降压-升压控制器演示板LT8390/DC2825A和LT8392/DC2626A.4如图7a和图7b所示，DC2825A具有直MOSFET布局，DC2626A具有90°形状MOSFET布局。为了进行公平比较，两款演示板配置了相同的MOSFET和去耦电容，并在36 V至12 V/10 A、300 kHz降压操作下进行了测试。图 7c 显示了测试的 V在M1导通时刻的交流纹波。通过 90° 形状的 MOSFET 放置，V在纹波具有较低的幅度和较高的谐振频率，因此由于热回路路径较短，验证了较小的PCB ESL。相反，由于更长的热回路和更高的ESL，直MOSFET的放置导致更高的V在纹波幅度和较慢的谐振频率。根据Cho和Szokusha研究中的EMI测试结果，较高的输入电压纹波也会导致更严重的EMI发射。4

图6.热回路多氯联苯型号：（a） 5 mm × 6 mm MOSFET，直线放置;（b） 5毫米×6毫米MOSFET，呈90°形状放置;（c） 180°形状放置的5毫米×6毫米MOSFET;（d） 两个平行的3.3毫米×3.3毫米MOSFET，呈90°形状放置;（e） 两个平行的3.3毫米×3.3毫米MOSFET，与接地层呈90°形状放置;（f） 在顶层和底层以 90° 形状放置对称的 3.3 毫米× 3.3 毫米 MOSFET。


图7.（a） LT8390/DC2825A 热回路，具有直 MOSFET 放置;（b） LT8392/DC2626A 热回路，放置 90° MOSFET;（c）五在M1导通时的纹波波形。


图8.热回路 PCB 型号，（a） 五个 GND 过孔靠近 C在和 M2;（b） 14 个 GND 过孔放置在 C 之间在和 M2;（c） 根据（b）在GND上再放置6个过孔;（d） 根据 （c） 在 GND 区域再放置 9 个过孔。

热回路 PCB ESR 和 ESL 与通孔贴装

热回路中的过孔位置对环路ESR和ESL也有关键影响。如图8所示，对具有两层PCB结构和直功率FET放置的热回路进行了建模。FET放置在顶层，第二层是接地层。寄生阻抗Z2在C之间在GND焊盘和M2源焊盘是热回路的一部分，并作为示例进行研究。Z2 提取自 FastHenry。表3总结并比较了模拟的ESR2和 ESL2具有不同的过孔位置。

通常，增加更多过孔会降低PCB寄生阻抗。然而，ESR的降低2和 ESL2与过孔数量不成线性比例。靠近端子焊盘的通孔可最明显地降低 PCB ESR 和 ESL。因此，对于热回路布局设计，必须将几个关键过孔放置在靠近C焊盘的位置在和 MOSFET，以最大限度地降低 HF 环路阻抗。

结论

降低热回路的寄生参数有助于提高电源效率、降低电压振铃并降低EMI。为了最小化PCB寄生参数，研究并比较了具有不同去耦电容位置、MOSFET尺寸和位置以及通孔布局的热回路布局设计。较短的热回路路径、更小尺寸的 MOSFET、对称的 90° 形状和 180° 形状 MOSFET 布局以及靠近关键元件的通孔有助于实现最低的热回路 PCB ESR 和 ESL。