【導(dǎo)讀】創(chuàng)新的一種重要方法是使用高密度設(shè)計。為推出占位面積更小的解決方案，電源系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在正集中研究功率密度（一個功率轉(zhuǎn)換器電路每單位面積或體積的輸出功率）的問題。
在當(dāng)今這個競爭激烈的時代，產(chǎn)品設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是：不僅要緊跟同行步伐，而且要保持領(lǐng)先群雄的地位。這就對那些欲借助差異化產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計人員提出了更高的要求。
創(chuàng)新的一種重要方法是使用高密度設(shè)計。為推出占位面積更小的解決方案，電源系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在正集中研究功率密度（一個功率轉(zhuǎn)換器電路每單位面積或體積的輸出功率）的問題。
高密度直流/直流（dcdc）轉(zhuǎn)換器印刷電路板（pcb）布局最引人矚目的范例涉及功率級組件的放置和布線。精心的布局可同時提高開關(guān)性能、降低組件溫度并減少電磁干擾（EMI）信號。請細(xì)看圖1中的功率級布局和原理圖。
圖1：四開關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器功率級布局和原理圖
在筆者看來，這些都是設(shè)計高密度dcdc轉(zhuǎn)換器時所面臨的挑戰(zhàn)：組件技術(shù)。組件技術(shù)的進(jìn)步是降低整體功耗的關(guān)鍵，尤其在較高的開關(guān)頻率下對濾波器無源組件的尺寸減小更是至關(guān)重要。例如，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）已見證了硅芯片和封裝方面的一致進(jìn)展，其中最值得注意的是采用了極少出現(xiàn)寄生現(xiàn)象的氮化鎵（GaN）功率器件。與此同時，磁性組件的性能也得到了單獨提升，雖然其速度可能落后于功率半導(dǎo)體組件的性能提升速度。憑借控制集成電路（IC）的謹(jǐn)慎布局（集成式自適應(yīng)柵極驅(qū)動器靠近MOSFET），在很多情況下無需再用功率耗散緩沖器或柵極電阻器組件進(jìn)行開關(guān)節(jié)點電壓轉(zhuǎn)換速率的調(diào)整。
散熱設(shè)計。雖然高密度布局一般有利于提升轉(zhuǎn)換效率，但它可能會形成一個散熱性能瓶頸。要在更小的占位空間內(nèi)實現(xiàn)相同功耗的想法變得站不住腳。組件溫度攀升會使較高的故障率和可靠性問題更嚴(yán)重。把外形較纖薄的功率MOSFET放置在pcb頂部（不會被電感器和電解電容器等較厚的組件遮蔽氣流）有助于通過對流氣流提高散熱性能。就圖1中的轉(zhuǎn)換器而言，電感器和電解電容器被特意放在了多層pcb的底部，因為如果置于頂部，它們會妨礙熱傳遞。
抗EMI性能。EMI合規(guī)性是產(chǎn)品設(shè)計周期中的一個重要里程碑。高密度設(shè)計通常沒有多少可用于EMI濾波的空間。但嚴(yán)密的布局可改善輻射發(fā)射狀況，并對傳送進(jìn)來的干擾產(chǎn)生更強的抵御能力。兩個基本步驟是：最大限度地減少載有大di/dt電流的環(huán)路面積（見圖1中的白色電流路徑），并縮減具有高dv/dt電壓的表面積（見圖1中的覆銅多邊形SW1和SW2）。
高密度pcb設(shè)計流程。顯然，對電源系統(tǒng)設(shè)計人員來說，培養(yǎng)和磨礪自己的pcb設(shè)計技能非常重要。盡管布局的職責(zé)往往會委托給布局專家，但工程師仍承擔(dān)著審查設(shè)計并且非正式批準(zhǔn)它的最終責(zé)任。
考慮到這些挑戰(zhàn)，筆者最近為EDN撰寫了一個詳細(xì)深入探討pcb布局、由三部分組成的系列，標(biāo)題為《dcdc轉(zhuǎn)換器pcb布局》。它包括一系列pcb布局指南，被規(guī)整成一個清單，以便在布局過程中幫助設(shè)計人員。dcdc轉(zhuǎn)換器pcb設(shè)計流程的基本步驟是：
1. 選擇pcb結(jié)構(gòu)和層疊規(guī)范。
2. 從原理圖中找出大di/dt電流環(huán)路和高dv/dt電壓節(jié)點。
3. 進(jìn)行功率級組件的布局和放置。
4. 放置控制IC并完成控制部分布局。
5. 進(jìn)行關(guān)鍵的跟蹤布線，包括MOSFET柵極驅(qū)動、電流檢測和輸出電壓反饋。
6. 設(shè)計電源和接地（GND）層。
在電路板上具有戰(zhàn)略意義的位置靈活部署轉(zhuǎn)換器的能力也很重要 —— 以大電流負(fù)載點（POL）模塊為例，處于鄰近負(fù)載的最佳位置可降低導(dǎo)通壓降并改善負(fù)載瞬態(tài)性能。
請細(xì)看圖2中外形微縮的降壓型轉(zhuǎn)換器的功率級布局。作為一個嵌入式POL模塊實施方案，它采用了一個全陶瓷電容器設(shè)計、一個高效屏蔽式電感器、若干垂直堆疊的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、一個電壓模式控制器以及一個具有2盎司覆銅的六層pcb。
圖2：25A同步降壓型轉(zhuǎn)換器pcb布局和實施方案
本設(shè)計的主要原則是實現(xiàn)高功率密度和低材料清單（BOM）成本。它總共占用的pcb面積為2.2cm2（0.34in2），每單位面積產(chǎn)生的有效電流密度為11.3A/cm2（75A/in2）。3.3V輸出時每單位體積的功率密度為57W/in2（930W/in3）。
為達(dá)到高功率密度，通常的做法是增加開關(guān)頻率。相比之下，您可通過具有戰(zhàn)略意義的組件選擇來實現(xiàn)小型化，同時保持300kHz的較低開關(guān)頻率，旨在減少MOSFET開關(guān)損耗和電感器磁芯損耗等與頻率成比例的損失。
高密度pcb設(shè)計的價值主張
顯然，pcb是一個設(shè)計中的重要（有時是最昂貴的）組件。為高密度dcdc轉(zhuǎn)換器精心策劃并認(rèn)真實施的pcb布局的價值主張在于：
在空間受限型設(shè)計（縮減的解決方案體積和占位面積）中實現(xiàn)更多的功能。
減小開關(guān)環(huán)路的寄生電感，有助于：
減少功率MOSFET電壓應(yīng)力（開關(guān)節(jié)點電壓尖峰）和鳴響。
降低開關(guān)損耗。
減少電磁干擾（EMI）、磁場耦合和輸出噪聲信號。
額外的容限可確保在輸入軌瞬態(tài)電壓干擾中安然無恙（特別是在寬VIN范圍的應(yīng)用里）。
增加可靠性和穩(wěn)健性（降低組件溫度）。
通過縮小pcb、減少濾波組件并去除緩沖器來節(jié)約成本。
與眾不同的設(shè)計可提供競爭優(yōu)勢、贏得客戶關(guān)注并增加收入。
公平地說，pcb布局可決定一個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器最終實現(xiàn)的性能。當(dāng)然，不必花無數(shù)個小時為EMI、噪聲、信號完整性以及與較差布局相關(guān)的其它問題進(jìn)行調(diào)試，這會讓設(shè)計人員感到非常高興。
