DCDC 转换器的高密度 PCB 布局，第 2 部分

[导读]正如我在第一部分中提到的，专用于电源管理的印刷电路板 (PCB) 区域对系统设计人员来说是一个巨大的限制。降低转换器损耗是在 PCB 空间有限的空间受限应用中实现紧凑实现的基本要求。

正如我在第一部分中提到的，专用于电源管理的印刷电路板 (PCB) 区域对系统设计人员来说是一个巨大的限制。降低转换器损耗是在 PCB 空间有限的空间受限应用中实现紧凑实现的基本要求。

在电路板上的战略位置灵活部署转换器的能力也很重要——例如高电流负载点（POL）模块，其最佳位置靠近负载以实现更小的传导降和更好的负载瞬态性能.

考虑图 1 中小型化降压转换器的功率级布局。作为嵌入式 POL 模块实现，它使用全陶瓷电容器设计、高效屏蔽电感器、垂直堆叠的 MOSFET、电压模式控制器和带有 2oz 铜的六层 PCB。

图 1：25A 同步降压转换器 PCB 布局和实施。

这种设计的主要原则是高功率密度和低物料清单 (BOM) 成本。它占用的 PCB 总面积为 2.2cm 2 (0.34in 2 )，每单位面积的有效电流密度为 11.3A/cm 2 (75A/in 2 )。3.3V 输出时单位体积的功率密度为 57W/cm 3 (930W/in 3 )。

获得高功率密度的正常方法是增加开关频率。相比之下，您可以通过策略性的元件选择实现小型化，同时保持 300kHz 的相对较低的开关频率，以减少频率比例损耗，例如 MOSFET 开关损耗和电感器磁芯损耗。表 1 列出了此设计的基本组件。

动力传动部件	占地面积和轮廓 (mm)	推荐的土地格局外形尺寸 (mm)
CSD86530Q5D NexFETÔ 电源块	5.0 x 6.0 x 1.5 (SON5x6)	5.15 x 6.24
LM27402 3V-20V PWM 控制器	4.0 x 4.0 x 0.8 (WQFN-16)	4.2 x 4.2
0.68µH 1.6mΩ 33A 滤波电感	11.5 x 10.3 x 4.0	4.1 x 13.6
22µF 输入和 47µF 输出 X5R 电容器	2.0 x 1.25 x 1.35 (0805)	2.2 x 1.3
终端连接	2.0 x 3.0	2.0 x 3.0（在主机板上）

表 1：POL 模块组件、封装尺寸和推荐的焊盘尺寸。

高密度 PCB 设计的价值主张

显然，PCB 是设计中一个重要的（有时也是最昂贵的）组件。为高密度 DC/DC 转换器精心规划和精心执行的 PCB 布局的价值主张在于：

· 空间受限设计中的更多功能（减少解决方案体积和占地面积）。

· 降低开关环路寄生电感，有助于：

· 降低功率 MOSFET 电压应力（开关节点电压尖峰）和振铃。

· 减少开关损耗。

· 降低电磁干扰（EMI）、磁场耦合和输出噪声特征。

· 额外的保证金生存输入轨瞬态电压干扰，特别是在宽的VIN 范围应用。

· 提高可靠性和稳健性（降低组件温度）。

· 成本节约与更小的 PCB、更少的过滤组件和消除缓冲器有关。

· 差异化设计可提供竞争优势、吸引客户注意力并增加收入。

可以说，PCB 布局决定了开关电源转换器最终实现的性能。当然，设计人员很乐意避免为 EMI、噪声、信号完整性和其他与不良布局相关的问题花费无数小时的调试时间。

不要在关键回路上使用热阻焊盘，它们会引入多余的电感特性。当使用地线层的时候，要尽力保持输入切换回路下面的地层的完整性。任何对这一区域地线层的切割都会降低地线层的有效性，即使是通过地线层的信号导通孔也会增加其阻抗。导通孔可以被用于连接退藕电容和 IC 的地到地线层上，这可使回路最短化。但需要牢记的是导通孔的电感量大约在 0.1~0.5nH 之间，这会根据导通孔厚度和长度的不同而不同，它们可增加总的回路电感量。对于低阻抗的连接来说，使用多个导通孔是应该的。

在上面的例子中，通到地线层的附加导通孔对缩减 C IN 回路的长度没有帮助。但在另一个例子中，由于顶层的路径很长，通过导通孔来缩小回路面积就十分有效。

需要注意的是将地线层作为电流回流的路径会将大量噪声引入地线层，为此可将局部地线层独立出来，再通过一个噪声很低的点接入主地当中。

当地线层很靠近辐射回路的时候，其对回路的屏蔽效果会得到有效的加强。因此，在设计多层PCB的时候，可将完整的地线层放在第二层，使其直接位于承载了大电流的顶层的下面。

非屏蔽电感会生成大量的漏磁，它们会进入其他回路和滤波元件之中。在噪声敏感的应用中应当使用半屏蔽或全屏蔽的电感，还要让敏感电路和回路远离电感。

解决 EMI 问题可能是一件很复杂的事情，尤其是在面对完整的系统，同时又不知道辐射源所在的时候。有了关于高频信号和开关切换式转换器中的电流回路的基础知识，再加上对元器件和 PCB 布局在高频情况下的表现的了解，结合某些简单自制工具的使用，要想找出辐射源和降低辐射的低成本解决方案，从而轻松的解决 EMI 问题是有可能的。预告下期将为大家带来一个DIY EMI 探测工具。相信这些开关电源的经验对初学的一些工程师来说，会有一定的帮助。