如何最大程度降低開關(guān)電源中的寄生參數(shù)

作者：Kenton Williston

開關(guān)模式電源（開關(guān)電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠鋺?yīng)用已經(jīng)延伸到新的領(lǐng)域。最明顯的是，其高頻切換會對系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。此外，導(dǎo)致 EMI 的因素同樣也會降低效率，從而削弱開關(guān)電源關(guān)鍵的能效優(yōu)勢。

為了避免這些問題，設(shè)計(jì)人員在配置“熱回路”（電源電路中發(fā)生快速開關(guān)的部分）時(shí)必須特別小心。將等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL) 造成的熱回路寄生損耗降至最低至關(guān)重要。這可以通過選擇高度集成的電源元件和精心設(shè)計(jì)的印刷電路板（PC 板）布局來實(shí)現(xiàn)。

本文將介紹熱回路和寄生損耗來源，具體包括耦合電容器、功率場效應(yīng)晶體管 (FET) 和電路板過孔等。然后會展示 [Analog Devices] 的高集成度電源轉(zhuǎn)換器實(shí)例，并介紹各種電路板布局及其對寄生參數(shù)的影響。最后還介紹了降低 ESR 和 ESL 的實(shí)用技巧。

開關(guān)電源熱回路基本原理

任何涉及快速開關(guān)電流的電源設(shè)計(jì)，如升壓、降壓升壓和反激式轉(zhuǎn)換器，都會出現(xiàn)高頻開關(guān)電流熱回路。這個概念可以通過一個簡化的降壓轉(zhuǎn)換器來說明（圖 1）。左側(cè)的回路（紅色）包含所有開關(guān)元件；電路產(chǎn)生的高頻電流包含在其中，并形成熱回路。

圖 1：一個簡化的降壓轉(zhuǎn)換器說明了熱回路（紅框）的原理。（圖片來源：Analog Devices）

“熱”是因?yàn)殡娐返倪@一區(qū)域進(jìn)行著大量的能量轉(zhuǎn)換和開關(guān)活動，而這些活動往往伴隨著熱量的產(chǎn)生。對這些熱回路進(jìn)行合理布局和設(shè)計(jì)對于最大限度地減少 EMI 和確保電源的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

圖 2 中更為現(xiàn)實(shí)的電路是一個 DC-DC 同步降壓轉(zhuǎn)換器。在這個熱回路中，物理元件（標(biāo)為黑色）是輸入電容器 (C 在 ) 和開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)（M1 和 M2）。

圖 2：真實(shí)世界的熱回路不可避免地包含寄生參數(shù)（以紅色顯示）。（圖片來源：Analog Devices）

熱回路中的寄生參數(shù)用紅色標(biāo)出。ESL 通常在納亨 (nH) 范圍內(nèi)，而 ESR 則在毫歐 (mΩ) 范圍內(nèi)。高頻開關(guān)會導(dǎo)致 ESL 內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)振蕩，從而產(chǎn)生電磁干擾。儲存在 ESL 中的能量會被 ESR 消散，從而導(dǎo)致功率損耗。

利用集成元件可將寄生參數(shù)降至最低

這些寄生阻抗（ESR、ESL）會出現(xiàn)在元件內(nèi)部和熱回路電路板印制線上。為了盡量減少這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)選擇元件并優(yōu)化電路板布局。

實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)的方法之一就是使用集成元件。這些集成元件消除了連接分立元件所需的電路板印制線，同時(shí)減少了熱回路的總面積。兩者都有助于減少寄生阻抗。

Analog Devices 的 [LTM4638] 降壓型 μModule 穩(wěn)壓器就是高集成度元件的一個極佳實(shí)例。如圖 3 所示，這款 15 安培 (A) 開關(guān)穩(wěn)壓器集成了開關(guān)控制器、功率 FET、電感器和支持元件，全部封裝在一個 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米的微型封裝內(nèi)。

圖 3：LTM4638 μModule 穩(wěn)壓器集成了降壓轉(zhuǎn)換器所需的許多元件。（圖片來源：Analog Devices）

LTM4638 還具有其他幾項(xiàng)功能，可減少寄生損耗。具體包括：

• 快速瞬態(tài)響應(yīng)： 這可以使穩(wěn)壓器根據(jù)負(fù)載或輸入的變化快速調(diào)整輸出電壓，并通過快速過渡到次優(yōu)工作狀態(tài)，最大限度地縮短寄生損耗的持續(xù)時(shí)間并降低其影響。
• 斷續(xù)模式運(yùn)行： 這允許電感器電流在下一個開關(guān)周期開始前降至零。這種模式通常在輕負(fù)載條件下使用，通過在部分周期內(nèi)使電感器斷電，從而減少電感器的開關(guān)和鐵損。
• 輸出電壓跟蹤： 這能夠讓轉(zhuǎn)換器輸出跟蹤參考輸入電壓。該功能通過精確控制輸出電壓的升降，降低了可能加劇寄生損耗的過沖或欠沖的可能性。

通過元件布局將寄生參數(shù)降至最低

使用 LTM4638 構(gòu)建同步降壓轉(zhuǎn)換器需要分別添加散裝的輸入和輸出電容器 C在和 C 出去 。這些電容器的位置選擇會對寄生參數(shù)產(chǎn)生重大影響。

Analog Devices 使用針對 LTM4638 的 DC2665A-B 評估板進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)說明了 C在位置選擇的影響。后來，[DC2665B-B] 取代了該評估板，但原理仍適用。圖 4 至圖 6 展示了 C在的三種不同布局和相應(yīng)的熱回路。垂直熱回路 1（圖 4）和 2（圖 5）分別將 C在放在底層穩(wěn)壓器的正下方或側(cè)面。水平熱回路（圖 6）將電容器置于頂層。

圖 4：垂直熱回路 1 底視圖和側(cè)視圖。C在位于穩(wěn)壓器正下方，通過過孔連接。（圖片來源：Analog Devices）

圖 5：垂直熱回路 2 底視圖和側(cè)視圖。C在位于穩(wěn)壓器下方，但在穩(wěn)壓器旁邊，需要電路板印制線和過孔。（圖片來源：Analog Devices）

圖 6：水平熱回路俯視圖和側(cè)視圖。C在位于頂層，通過印制線與穩(wěn)壓器相連。（圖片來源：Analog Devices）

垂直熱回路 1 的路徑最短，可避免使用電路板印制線。因此，預(yù)計(jì)它的寄生參數(shù)最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫茲 (MHz) 的頻率分析每個熱回路，結(jié)果顯示情況確實(shí)如此（圖 7）。

| | 熱回路 | 600 KHZ 時(shí)的 ESR (ESR 1 + 血沉 2 ) | 200 KHZ 時(shí)的 ESR (ESR 1 + 血沉2 ) |
| -------------- | ---------------------------------------- | ---------------------------------------- |
| 垂直熱回路 1 | 0.7 mΩ | 0.54 nH |
| 垂直熱回路 2 | 2.5 mΩ | 1.17 nH |
| 水平熱回路 | 3.3 mΩ | 0.84 nH |

圖 7：不出所料，最短路徑的寄生阻抗最低。（圖片來源：Analog Devices，由作者修改）

雖然我們無法直接測量這些寄生參數(shù)，但可以預(yù)測和測試它們的影響。具體來說，ESR 越低，效率越高，ESL 越低，紋波越小。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)了這些預(yù)測，垂直熱回路 1 在這兩項(xiàng)指標(biāo)上都有更好的表現(xiàn)（圖 8）。

圖 8：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，垂直熱回路 1 實(shí)現(xiàn)了更好的效率和紋波。（圖片來源：Analog Devices）

最小化分立元件的寄生參數(shù)

雖然集成器件具有許多優(yōu)勢，但某些開關(guān)電源仍需要分立元件。例如，大功率應(yīng)用可能會超出集成設(shè)備的能力。在這種情況下，分立功率 FET 的位置和封裝尺寸都會對熱回路 ESR 和 ESL 產(chǎn)生重大影響。如圖 9 所示，通過測試兩塊評估板可以看出這些影響，這兩塊評估板都采用了高效的 4 開關(guān)同步降壓升壓控制器：

• [DC2825A]評估板基于 [LT8390] 降壓升壓穩(wěn)壓器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
• [DC2626A] 評估板基于 [LT8392]降壓升壓穩(wěn)壓器。兩對 MOSFET 成 90? 角放置。

圖 9：DC2825A（左）將 MOSFET 平行放置，而 DC2626A（右）將 MOSFET 以 90? 角垂直放置。（圖片來源：Analog Devices）

這兩塊電路板使用相同的 MOSFET 和電容器進(jìn)行測試，在 10 A 和 300 千赫茲 (kHz) 頻率下進(jìn)行 36 至 12 伏的降壓操作。結(jié)果表明，90? 放置的電壓紋波更低，諧振頻率更高，表示由于熱回路徑更短，PC 板 ESL 更?。▓D 10）。

圖 10：采用 90? MOSFET 布局的 DC2626A 具有更低的紋波和更高的諧振頻率。（圖片來源：Analog Devices）

其他布局考慮因素

在熱回路中采用頂部FormVVia 布置也會影響回路ESR 和ESL。一般來說，增加過孔可以降低電路板的寄生阻抗。不過，這種減少與過孔數(shù)量并不成正比。過孔靠端子焊盤近一些可顯著降低ESR 和ESL。因此，應(yīng)在靠近關(guān)鍵元件（C在和 μModule 或 MOSFET）焊盤的地方放置多個過孔，以盡量減小熱回路阻抗。

還有許多其他方法可以對電氣和熱性能產(chǎn)生積極影響。優(yōu)化熱回路的最佳做法包括：

• 在大電流通路（包括V 在 、V出去和接地）上使用大面積的電路板銅，以盡量減少電路板傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 在單元下方放置專用的電源接地層。
• 在頂層和其他功率層之間使用多個過孔進(jìn)行互連，以盡量減少傳導(dǎo)損耗，并降低模塊熱應(yīng)力。
• 不要將過孔直接放在焊盤上，除非對其進(jìn)行封蓋或電鍍。
• 對于連接到信號引腳的組件，應(yīng)使用獨(dú)立的信號接地銅區(qū)，將信號接地連接到單元下方的主接地引腳。
• 在信號引腳上引入測試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。
• 保持時(shí)鐘信號與頻率輸入印制線之間的距離，以盡量減少串?dāng)_造成噪聲的可能性。

結(jié)語

熱回路中的寄生參數(shù)會嚴(yán)重影響開關(guān)電源的性能。盡量減少這些參數(shù)對于實(shí)現(xiàn)高效率和低 EMI 至關(guān)重要。

實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最簡單方法之一就是使用集成穩(wěn)壓器模塊。不過，開關(guān)電源通常需要使用電容器等散裝元件，因此必須了解熱回路布局的影響。

審核編輯 黃宇