在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開關(guān)電源因其高效能和靈活性而廣泛應(yīng)用于各種供電系統(tǒng)中。然而，開關(guān)電源的性能和可靠性很大程度上取決于其布局設(shè)計，特別是熱回路的優(yōu)化。熱回路，即高頻交流電流回路，是影響開關(guān)電源效率、開關(guān)性能和電磁干擾(EMI)的關(guān)鍵因素。

一、熱回路的概念及其重要性

熱回路，主要由高頻電容和相鄰的功率FET(場效應(yīng)晶體管)組成，是開關(guān)電源PCB(印刷電路板)布局中最關(guān)鍵的部分。開關(guān)電源中的MOSFET M1和M2的開關(guān)動作會產(chǎn)生高頻的di/dt(電流變化率)和dv/dt(電壓變化率)噪聲。這些噪聲成分需要被有效地旁路，以避免對電源性能產(chǎn)生負(fù)面影響。高頻電容(如CIN)提供了一個低阻抗路徑來旁路這些高頻噪聲成分。然而，由于器件封裝內(nèi)和PCB走線上存在寄生阻抗(如等效串聯(lián)電阻ESR、等效串聯(lián)電感ESL)，這些高頻噪聲會通過寄生電感引起高頻振鈴，導(dǎo)致EMI，并在等效串聯(lián)電阻上耗散能量，造成額外的功率損耗。

二、最小化熱回路的設(shè)計原則

為了優(yōu)化開關(guān)電源的布局，減少高頻振鈴，提高效率，必須盡量減小熱回路的寄生參數(shù)，包括ESR和ESL。以下是一些關(guān)鍵的設(shè)計原則：

解耦電容位置優(yōu)化：解耦電容的位置對熱回路的長度和寄生參數(shù)有顯著影響。應(yīng)盡量將解耦電容放置在靠近功率FET的位置，以減少高頻電流回路的長度，從而降低ESL。同時，確保電容的正負(fù)極通徑盡可能靠近，以最小化PCB的有效串聯(lián)電感ESL。

功率FET布置與封裝尺寸：功率FET的布置和封裝尺寸也影響熱回路的寄生參數(shù)。較小尺寸的MOSFET可以減少回路長度，降低寄生阻抗。此外，對稱的90°形狀和180°形狀MOSFET布置可以進(jìn)一步減小ESL。如果可能，使用兩個并聯(lián)的小尺寸MOSFET代替一個大尺寸的MOSFET，可以進(jìn)一步縮短回路長度，降低阻抗。

過孔布置：在多層PCB設(shè)計中，過孔的使用對于連接不同層的功率元件至關(guān)重要?？拷麮IN和MOSFET焊盤的過孔可以顯著減小高頻回路阻抗。同時，添加更多過孔有助于降低PCB寄生阻抗，但需要注意，ESR和ESL的降低程度與過孔數(shù)量并不是線性比例關(guān)系。

接地層與直流電壓層：在多層PCB板上，在大電流功率元件層和敏感的小信號跡線層之間放置直流接地或直流輸入輸出電壓層是非常理想的。這些層提供交流接地，以屏蔽小信號跡線與噪聲電源跡線和功率組件，減少相互干擾。

三、優(yōu)化布局設(shè)計的實踐

為了驗證上述設(shè)計原則的有效性，可以進(jìn)行一系列的實驗和仿真。以下是一些實踐建議：

使用仿真工具：利用Ansys Q3D、FastHenry/FastCap等仿真工具來提取PCB寄生參數(shù)，包括ESR和ESL。這些工具可以幫助預(yù)測不同布局設(shè)計對性能的影響，并優(yōu)化布局以達(dá)到最佳效果。

實驗驗證：通過搭建實際電路，測試不同布局設(shè)計下的電源效率、電壓振鈴和EMI性能。比較實驗結(jié)果，驗證仿真預(yù)測的準(zhǔn)確性，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

多層PCB設(shè)計：在多層PCB設(shè)計中，合理規(guī)劃各層的布局和走線，確保功率元件和敏感信號元件之間的有效隔離。同時，利用厚銅層來降低傳導(dǎo)損失和熱阻抗。

合作與溝通：電源設(shè)計師應(yīng)與PCB布局設(shè)計師密切合作，確保在設(shè)計早期階段就考慮到電源性能和布局要求。通過有效的溝通和協(xié)作，共同優(yōu)化布局設(shè)計，提高開關(guān)電源的整體性能。

四、結(jié)論

通過最小化熱回路來優(yōu)化開關(guān)電源布局是提高電源性能和可靠性的重要手段。通過優(yōu)化解耦電容位置、功率FET布置與封裝尺寸、過孔布置以及接地層與直流電壓層的配置，可以顯著降低熱回路的寄生參數(shù)，減少高頻振鈴和EMI，提高電源效率。在實際設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合仿真工具和實驗驗證來優(yōu)化布局設(shè)計，確保電源性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的日益廣泛，開關(guān)電源的布局設(shè)計將不斷得到優(yōu)化和完善。通過不斷探索和實踐新的設(shè)計方法和理念，我們可以為現(xiàn)代電子設(shè)備提供更加高效、可靠和穩(wěn)定的電源解決方案。