如何最大程度降低開關電源中的寄生參數

作者：Kenton Williston

開關模式電源（開關電源）因其高效性和靈活性而廣受歡迎。但它們也帶來了挑戰，因為其應用已經延伸到新的領域。最明顯的是，其高頻切換會對係統的其他部分産生電磁幹擾 (EMI)。此外，導緻 EMI 的因素同樣也會降低效率，從而削弱開關電源關鍵的能效優勢。

為了避免這些問題，設計人員在配置“熱回路”（電源電路中發生快速開關的部分）時必須特別小心。將等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL) 造成的熱回路寄生損耗降至最低至關重要。這可以通過選擇高度集成的電源元件和精心設計的印刷電路闆（PC 闆）佈局來實現。

本文將介紹熱回路和寄生損耗來源，具體包括耦合電容器、功率場效應晶體管 (FET) 和電路闆過孔等。然後會展示 Analog Devices 的高集成度電源轉換器實例，並介紹各種電路闆佈局及其對寄生參數的影響。最後還介紹了降低 ESR 和 ESL 的實用技巧。

開關電源熱回路基本原理

任何涉及快速開關電流的電源設計，如升壓、降壓升壓和反激式轉換器，都會出現高頻開關電流熱回路。這個概念可以通過一個簡化的降壓轉換器來說明（圖 1）。左側的回路（紅色）包含所有開關元件；電路産生的高頻電流包含在其中，並形成熱回路。

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

“熱”是因為電路的這一區域進行著大量的能量轉換和開關活動，而這些活動往往伴隨著熱量的産生。對這些熱回路進行合理佈局和設計對於最大限度地減少 EMI 和確保電源的高效運行至關重要。

圖 2 中更為現實的電路是一個 DC-DC 同步降壓轉換器。在這個熱回路中，物理元件（標為黑色）是輸入電容器 (CIN) 和開關金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)（M1 和 M2）。

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

熱回路中的寄生參數用紅色標出。ESL 通常在納亨 (nH) 範圍內，而 ESR 則在毫歐 (mΩ) 範圍內。高頻開關會導緻 ESL 內産生瞬時振蕩，從而産生電磁幹擾。儲存在 ESL 中的能量會被 ESR 消散，從而導緻功率損耗。

利用集成元件可將寄生參數降至最低

這些寄生阻抗（ESR、ESL）會出現在元件內部和熱回路電路闆印製線上。為了盡量減少這些參數，設計人員必須仔細選擇元件並優化電路闆佈局。

實現這兩個目標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闆印製線，同時減少了熱回路的總麵積。兩者都有助於減少寄生阻抗。

Analog Devices 的 LTM4638 降壓型 µModule 穩壓器就是高集成度元件的一個極佳實例。如圖 3 所示，這款 15 安培 (A) 開關穩壓器集成了開關控製器、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。

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

LTM4638 還具有其他幾項功能，可減少寄生損耗。具體包括：

· 快速瞬態響應：這可以使穩壓器根據負載或輸入的變化快速調整輸出電壓，並通過快速過渡到次優工作狀態，最大限度地縮短寄生損耗的持續時間並降低其影響。
· 斷續模式運行：這允許電感器電流在下一個開關周期開始前降至零。這種模式通常在輕負載條件下使用，通過在部分周期內使電感器斷電，從而減少電感器的開關和鐵損。
· 輸出電壓跟蹤：這能夠讓轉換器輸出跟蹤參考輸入電壓。該功能通過精確控製輸出電壓的升降，降低了可能加劇寄生損耗的過沖或欠沖的可能性。

通過元件佈局將寄生參數降至最低

使用 LTM4638 構建同步降壓轉換器需要分別添加散裝的輸入和輸出電容器 CIN 和 COUT。這些電容器的位置選擇會對寄生參數産生重大影響。

Analog Devices 使用針對 LTM4638 的 DC2665A-B 評估闆進行的實驗說明了 CIN 位置選擇的影響。後來，DC2665B-B 取代了該評估闆，但原理仍適用。圖 4 至圖 6 展示了 CIN 的三種不同佈局和相應的熱回路。垂直熱回路 1（圖 4）和 2（圖 5）分別將 CIN 放在底層穩壓器的正下方或側麵。水平熱回路（圖 6）將電容器置於頂層。

圖 4：垂直熱回路 1 底視圖和側視圖。CIN 位於穩壓器正下方，通過過孔連接。（圖片來源：Analog Devices）


圖 5：垂直熱回路 2 底視圖和側視圖。CIN 位於穩壓器下方，但在穩壓器旁邊，需要電路闆印製線和過孔。（圖片來源：Analog Devices）


圖 6：水平熱回路俯視圖和側視圖。CIN 位於頂層，通過印製線與穩壓器相連。（圖片來源：Analog Devices）

垂直熱回路 1 的路徑最短，可避免使用電路闆印製線。因此，預計它的寄生參數最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫茲 (MHz) 的頻率分析每個熱回路，結果顯示情況確實如此（圖 7）。

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，但可以預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。實驗驗證證實了這些預測，垂直熱回路 1 在這兩項指標上都有更好的錶現（圖 8）。

圖 8：實驗結果證實，垂直熱回路 1 實現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

雖然集成器件具有許多優勢，但某些開關電源仍需要分立元件。例如，大功率應用可能會超出集成設備的能力。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 産生重大影響。如圖 9 所示，通過測試兩塊評估闆可以看出這些影響，這兩塊評估闆都採用了高效的 4 開關同步降壓升壓控製器：

· DC2825A 評估闆基於 LT8390 降壓升壓穩壓器。其 MOSFET 平行放置，方嚮相同。
· DC2626A 評估闆基於 LT8392 降壓升壓穩壓器。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）

這兩塊電路闆使用相同的 MOSFET 和電容器進行測試，在 10 A 和 300 仟赫茲 (kHz) 頻率下進行 36 至 12 伏的降壓操作。結果錶明，90˚ 放置的電壓紋波更低，諧振頻率更高，錶示由於熱回路徑更短，PC 闆 ESL 更小（圖 10）。

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

其他佈局考慮因素

在熱回路中採用頂部 FormVVia 佈置也會影響回路 ESR 和 ESL。一般來說，增加過孔可以降低電路闆的寄生阻抗。不過，這種減少與過孔數量並不成正比。過孔靠端子焊盤近一些可顯著降低 ESR 和 ESL。因此，應在靠近關鍵元件（CIN 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産生積極影響。優化熱回路的最佳做法包括：

· 在大電流通路（包括VIN、VOUT 和接地）上使用大麵積的電路闆銅，以盡量減少電路闆傳導損耗和熱應力。
· 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行互連，以盡量減少傳導損耗，並降低模塊熱應力。
· 不要將過孔直接放在焊盤上，除非對其進行封蓋或電鍍。
· 對於連接到信號引腳的組件，應使用獨立的信號接地銅區，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進行監測。
· 保持時鍾信號與頻率輸入印製線之間的距離，以盡量減少串擾造成噪聲的可能性。

結語

熱回路中的寄生參數會嚴重影響開關電源的性能。盡量減少這些參數對於實現高效率和低 EMI 至關重要。

實現這些目標的最簡單方法之一就是使用集成穩壓器模塊。不過，開關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佈局的影響。