如何最大程度降低开关电源中的寄生参数

作者：Kenton Williston

开关模式电源（开关电源）因其高效性和灵活性而广受欢迎。但它们也带来了挑战，因为其应用已经延伸到新的领域。最明显的是，其高频切换会对系统的其他部分产生电磁干扰 (EMI)。此外，导致 EMI 的因素同样也会降低效率，从而削弱开关电源关键的能效优势。

为了避免这些问题，设计人员在配置“热回路”（电源电路中发生快速开关的部分）时必须特别小心。将等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL) 造成的热回路寄生损耗降至最低至关重要。这可以通过选择高度集成的电源元件和精心设计的印刷电路板（PC 板）布局来实现。

本文将介绍热回路和寄生损耗来源，具体包括耦合电容器、功率场效应晶体管 (FET) 和电路板过孔等。然后会展示 Analog Devices 的高集成度电源转换器实例，并介绍各种电路板布局及其对寄生参数的影响。最后还介绍了降低 ESR 和 ESL 的实用技巧。

开关电源热回路基本原理

任何涉及快速开关电流的电源设计，如升压、降压升压和反激式转换器，都会出现高频开关电流热回路。这个概念可以通过一个简化的降压转换器来说明（图 1）。左侧的回路（红色）包含所有开关元件；电路产生的高频电流包含在其中，并形成热回路。

图 1：一个简化的降压转换器说明了热回路（红框）的原理。（图片来源：Analog Devices）

“热”是因为电路的这一区域进行着大量的能量转换和开关活动，而这些活动往往伴随着热量的产生。对这些热回路进行合理布局和设计对于最大限度地减少 EMI 和确保电源的高效运行至关重要。

图 2 中更为现实的电路是一个 DC-DC 同步降压转换器。在这个热回路中，物理元件（标为黑色）是输入电容器 (CIN) 和开关金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)（M1 和 M2）。

图 2：真实世界的热回路不可避免地包含寄生参数（以红色显示）。（图片来源：Analog Devices）

热回路中的寄生参数用红色标出。ESL 通常在纳亨 (nH) 范围内，而 ESR 则在毫欧 (mΩ) 范围内。高频开关会导致 ESL 内产生瞬时振荡，从而产生电磁干扰。储存在 ESL 中的能量会被 ESR 消散，从而导致功率损耗。

利用集成元件可将寄生参数降至最低

这些寄生阻抗（ESR、ESL）会出现在元件内部和热回路电路板印制线上。为了尽量减少这些参数，设计人员必须仔细选择元件并优化电路板布局。

实现这两个目标的方法之一就是使用集成元件。这些集成元件消除了连接分立元件所需的电路板印制线，同时减少了热回路的总面积。两者都有助于减少寄生阻抗。

Analog Devices 的 LTM4638 降压型 µModule 稳压器就是高集成度元件的一个极佳实例。如图 3 所示，这款 15 安培 (A) 开关稳压器集成了开关控制器、功率 FET、电感器和支持元件，全部封装在一个 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米的微型封装内。

图 3：LTM4638 µModule 稳压器集成了降压转换器所需的许多元件。（图片来源：Analog Devices）

LTM4638 还具有其他几项功能，可减少寄生损耗。具体包括：

· 快速瞬态响应：这可以使稳压器根据负载或输入的变化快速调整输出电压，并通过快速过渡到次优工作状态，最大限度地缩短寄生损耗的持续时间并降低其影响。
· 断续模式运行：这允许电感器电流在下一个开关周期开始前降至零。这种模式通常在轻负载条件下使用，通过在部分周期内使电感器断电，从而减少电感器的开关和铁损。
· 输出电压跟踪：这能够让转换器输出跟踪参考输入电压。该功能通过精确控制输出电压的升降，降低了可能加剧寄生损耗的过冲或欠冲的可能性。

通过元件布局将寄生参数降至最低

使用 LTM4638 构建同步降压转换器需要分别添加散装的输入和输出电容器 CIN 和 COUT。这些电容器的位置选择会对寄生参数产生重大影响。

Analog Devices 使用针对 LTM4638 的 DC2665A-B 评估板进行的实验说明了 CIN 位置选择的影响。后来，DC2665B-B 取代了该评估板，但原理仍适用。图 4 至图 6 展示了 CIN 的三种不同布局和相应的热回路。垂直热回路 1（图 4）和 2（图 5）分别将 CIN 放在底层稳压器的正下方或侧面。水平热回路（图 6）将电容器置于顶层。

图 4：垂直热回路 1 底视图和侧视图。CIN 位于稳压器正下方，通过过孔连接。（图片来源：Analog Devices）


图 5：垂直热回路 2 底视图和侧视图。CIN 位于稳压器下方，但在稳压器旁边，需要电路板印制线和过孔。（图片来源：Analog Devices）


图 6：水平热回路俯视图和侧视图。CIN 位于顶层，通过印制线与稳压器相连。（图片来源：Analog Devices）

垂直热回路 1 的路径最短，可避免使用电路板印制线。因此，预计它的寄生参数最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫兹 (MHz) 的频率分析每个热回路，结果显示情况确实如此（图 7）。

图 7：不出所料，最短路径的寄生阻抗最低。（图片来源：Analog Devices，由作者修改）

虽然我们无法直接测量这些寄生参数，但可以预测和测试它们的影响。具体来说，ESR 越低，效率越高，ESL 越低，纹波越小。实验验证证实了这些预测，垂直热回路 1 在这两项指标上都有更好的表现（图 8）。

图 8：实验结果证实，垂直热回路 1 实现了更好的效率和纹波。（图片来源：Analog Devices）

最小化分立元件的寄生参数

虽然集成器件具有许多优势，但某些开关电源仍需要分立元件。例如，大功率应用可能会超出集成设备的能力。在这种情况下，分立功率 FET 的位置和封装尺寸都会对热回路 ESR 和 ESL 产生重大影响。如图 9 所示，通过测试两块评估板可以看出这些影响，这两块评估板都采用了高效的 4 开关同步降压升压控制器：

· DC2825A 评估板基于 LT8390 降压升压稳压器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
· DC2626A 评估板基于 LT8392 降压升压稳压器。两对 MOSFET 成 90˚ 角放置。

图 9：DC2825A（左）将 MOSFET 平行放置，而 DC2626A（右）将 MOSFET 以 90˚ 角垂直放置。（图片来源：Analog Devices）

这两块电路板使用相同的 MOSFET 和电容器进行测试，在 10 A 和 300 千赫兹 (kHz) 频率下进行 36 至 12 伏的降压操作。结果表明，90˚ 放置的电压纹波更低，谐振频率更高，表示由于热回路径更短，PC 板 ESL 更小（图 10）。

图 10：采用 90˚ MOSFET 布局的 DC2626A 具有更低的纹波和更高的谐振频率。（图片来源：Analog Devices）

其他布局考虑因素

在热回路中采用顶部 FormVVia 布置也会影响回路 ESR 和 ESL。一般来说，增加过孔可以降低电路板的寄生阻抗。不过，这种减少与过孔数量并不成正比。过孔靠端子焊盘近一些可显著降低 ESR 和 ESL。因此，应在靠近关键元件（CIN 和 µModule 或 MOSFET）焊盘的地方放置多个过孔，以尽量减小热回路阻抗。

还有许多其他方法可以对电气和热性能产生积极影响。优化热回路的最佳做法包括：

· 在大电流通路（包括VIN、VOUT 和接地）上使用大面积的电路板铜，以尽量减少电路板传导损耗和热应力。
· 在单元下方放置专用的电源接地层。
· 在顶层和其他功率层之间使用多个过孔进行互连，以尽量减少传导损耗，并降低模块热应力。
· 不要将过孔直接放在焊盘上，除非对其进行封盖或电镀。
· 对于连接到信号引脚的组件，应使用独立的信号接地铜区，将信号接地连接到单元下方的主接地引脚。
· 在信号引脚上引入测试点进行监测。
· 保持时钟信号与频率输入印制线之间的距离，以尽量减少串扰造成噪声的可能性。

结语

热回路中的寄生参数会严重影响开关电源的性能。尽量减少这些参数对于实现高效率和低 EMI 至关重要。

实现这些目标的最简单方法之一就是使用集成稳压器模块。不过，开关电源通常需要使用电容器等散装元件，因此必须了解热回路布局的影响。