熱環(huán)路PCB ESR和ESL與去耦電容器位置的關(guān)系分析

　　LTM4638 是一款集成的 20 V IN、15 A 降壓轉(zhuǎn)換器模塊，采用微型 6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA 封裝。它具有高功率密度、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率。該模塊內(nèi)部集成了一個小型高頻陶瓷C IN，但受模塊封裝尺寸的限制，還不夠。圖 2 至圖 4 顯示了帶有附加外部 C IN的演示板上的三種不同熱環(huán)路。個是垂直熱環(huán)路 1（圖 2），其中 C IN1位于 μModule 調(diào)節(jié)器正下方的底層。

　　圖 2. 垂直熱環(huán)路 1：（a） 頂視圖和 （b） 側(cè)視圖。

　　Module V IN和 GND BGA 引腳通過過孔直接連接到 C IN1 。這些連接提供了演示板上短的熱環(huán)路路徑。第二個熱環(huán)路是垂直熱環(huán)路 2（圖 3），其中 C IN2仍然放置在底層，但移至 μModule 穩(wěn)壓器的側(cè)面區(qū)域。

　　圖 3. 垂直熱環(huán)路 2：（a） 俯視圖和 （b） 側(cè)視圖。

　　因此，額外的 PCB 走線被添加到熱環(huán)路中，并且與垂直熱環(huán)路 1 相比，預計會有更大的 ESL 和 ESR。第三個熱環(huán)路選項是水平熱環(huán)路（圖 4），其中 C IN3放置在頂層靠近μModule調(diào)節(jié)器。

　　圖 4. 水平熱環(huán)路：（a） 頂視圖和 （b） 側(cè)視圖。

　　Module V IN和 GND 引腳通過頂層銅連接到 C IN3 ，無需通過過孔。然而，頂層的 V IN 銅線寬度受到其他引腳排列的限制，導致環(huán)路阻抗比垂直熱環(huán)路 1 有所增加。表 1 比較了 FastHenry 提取的熱環(huán)路 PCB ESR 和ESL 。正如預期的那樣，垂直熱環(huán) 1 具有的 PCB ESR 和 ESL。

　　表 1. 使用 FastHenry 提取不同熱循環(huán)中的 PCB ESR 和 ESL

　　為了通過實驗驗證不同熱環(huán)路中的 ESR 和 ESL，我們測試了演示板在 12 V 至 1 V CCM 操作下的效率和 V IN AC 紋波。理論上，較低的 ESR 會帶來較高的效率，較小的 ESL 會導致較高的 V SW振鈴頻率和較低的 V IN紋波幅度。圖 5a 顯示了測量的效率。垂直熱環(huán)路 1 具有的效率，對應(yīng)于的 ESR。水平熱環(huán)路和垂直熱環(huán)路1之間的損耗差異也是根據(jù)提取的ESR計算出來的，這與圖5b所示的測試結(jié)果一致。圖 5c 中的V IN HF 紋波波形是通過 C IN進行測試的。

　　圖 5. 演示板測試結(jié)果：（a） 效率，（b） 水平環(huán)路和垂直環(huán)路 1 之間的損耗差異，以及 （c） 在 15 A 輸出下 M1 開啟期間的 VIN 紋波。

　　水平熱環(huán)路具有更高的 V IN紋波幅度和更低的振鈴頻率，因此與垂直熱環(huán)路 1 相比，驗證了更高的環(huán)路 ESL。此外，由于環(huán)路 ESR 更高，水平熱環(huán)路中的 V IN 紋波會衰減比垂直熱環(huán)路 1 更快。此外，較低的 V IN紋波可降低 EMI，并允許使用更小的 EMI 濾波器尺寸。