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PCB工藝

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DC/DC轉(zhuǎn)換器之高密度印刷線路板
2021-11-25
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專用于電源管理的印刷電路板(PCB)面積對系統(tǒng)設(shè)計人員而言是極大的約束。降低轉(zhuǎn)換損耗是一項基本要求,以便能在PCB基板面有限的空間受約束型應(yīng)用中實現(xiàn)緊湊的方案。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。

組件技術(shù)的進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行開關(guān)節(jié)點電壓轉(zhuǎn)換速率的調(diào)整。

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。

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,并縮減具有高dv/dt電壓的表面積。
DC/DC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。

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。

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。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。

1.減小開關(guān)環(huán)路的寄生電感,減少功率MOSFET電壓應(yīng)力(開關(guān)節(jié)點電壓尖峰)和鳴響。

2.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。

3.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)。

4.增加可靠性和穩(wěn)健性(降低組件溫度)。

5.通過縮小PCB、減少濾波組件并去除緩沖器來節(jié)約成本。

6.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。

PCB線路板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)的其它問題進行調(diào)試,這會讓設(shè)計人員感到非常高興。

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