关于功率转换器，寄生参数最小的热回路PCB布局能够改善能效比，下降电压振铃，并削减电磁搅扰(EMI)。ADI将在本文评论怎么经过最小化PCB的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)来优化热回路布局规划。文中研讨并比较了影响要素，包含解耦电容方位、功率FET尺度和方位以及过孔安置。经过试验验证了剖析成果，并总结了最小化PCB ESR和ESL的有用办法。

  开关形式功率转换器的热回路是指由高频(HF)电容和相邻功率FET构成的临界高频沟通电流回路。它是功率级PCB布局的最要害部分，因为它包含高dv/dt和di/dt噪声成分。规划欠安的热回路布局会发生较大的PCB寄生参数，包含ESL、ESR和等效并联电容(EPC)，这些参数对功率转换器的功率、开关功能和EMI功能有严峻影响。

  图1显现了同步降压DC-DC转换器原理图。热回路由MOSFET M1和M2以及解耦电容CIN构成。M1和M2的开关动作会发生高频di/dt和dv/dt噪声。CIN供给了一个低阻抗途径来旁路高频噪声成分。但是，器材封装内和热回路PCB走线上存在寄生阻抗（ESR、ESL）。高di/dt噪声经过ESL会引起高频振铃，从而导致EMI。ESL中存储的能量在ESR上耗散，导致额定的功率损耗。因而，应尽量减小热回路PCB的ESR和ESL，以削减高频振铃并进步功率。

  精确提取热回路的ESR和ESL，有助于猜测开关功能并改善热回路规划。器材的封装和PCB走线均会影响回路的总寄生参数。本文首要重视PCB布局规划。有一些东西可协助用户提取PCB寄生参数，例如Ansys Q3D、FastHenry/FastCap、StarRC等。Ansys Q3D之类的商用东西可供给精确的仿真，但一般价格昂贵。FastHenry/FastCap是一款依据部分元件等效电路(PEEC)数值建模的免费东西1 ，能够经过编程供给灵敏的仿真来探究不同的地图规划，但需求额定的编程。FastHenry/FastCap寄生参数提取的有用性和精确性已经过验证，并与Ansys Q3D进行了比较，成果共同2,3 。在本文中，FastHenry用作提取PCB ESR和ESL的经济高效的东西。

  本部分依据ADI的LTM4638 µModule®稳压器演示板DC2665A-B来研讨CIN方位的影响。LTM4638是一款集成式20VIN、15A降压型转换器模块，选用小型6.25mm × 6.25mm × 5.02mm BGA封装。它具有高功率密度、快速瞬态响应和高功率特性。模块内部集成了一个小的高频陶瓷CIN，不过受限于模块封装尺度，这还不行。图2至图4展现了演示板上的三种不同热回路，这些热回路运用了额定的外部CIN。第一种是笔直热回路1（图2），其间CIN1放置在μModule稳压器下方的底层。µModule VIN和GND BGA引脚经过过孔直接衔接到CIN1。这些衔接供给了演示板上的最短热回路途径。第二种热回路是笔直热回路2（图3），其间CIN2仍放置在底层，但移至μModule稳压器的旁边面区域。其成果是，与笔直热回路1比较，该热回路增加了额定的PCB走线，估计ESL和ESR更大。第三种热回路选项是水平热回路（图4），其间CIN3放置在接近μModule稳压器的顶层。µModule VIN和GND引脚经过顶层铜衔接到CIN3，而不经过过孔。但是，顶层的VIN铜宽度受其他引脚摆放的约束，导致回路阻抗高于笔直热回路1。表1比较了FastHenry提取的热回路 PCB ESR和ESL。正如预期的那样，笔直热回路1的PCB ESR和ESL最低。

  为了经过试验验证不同热回路的ESR和ESL，ADI测验了12V转1V CCM运行时演示板的功率和VIN沟通纹波。理论上，ESR越低，则功率越高，而ESL越小，则VSW振铃频率越高，VIN纹波起伏越低。图5a显现了实测功率。笔直热回路1的功率最高，因为其ESR最低。水平热回路和笔直热回路1之间的损耗差异也是依据提取的ESR核算的，这与图5b所示的测验成果共同。图5c中的VIN HF纹波波形是在CIN上测验的。水平热回路具有更高的VIN纹波起伏和更低的振铃频率，因而验证了其回路ESL高于笔直热回路1。别的，因为回路ESR更高，因而水平热回路的VIN纹波衰减速度快于笔直热回路1。此外，较低的VIN纹波下降了EMI，因而能够运用较小的EMI滤波器。

  图5.演示板测验成果：(a)功率，(b)水平回路与笔直回路1之间的损耗差异，(c) 15 A输出时M1导通期间的VIN纹波

  关于分立式规划，功率FET的安置和封装尺度对热回路ESR和ESL也有严峻影响。本部分ADI对运用功率FET M1和M2以及解耦电容CIN的典型半桥热回路进行了建模和研讨。图6比较了常见功率FET封装尺度和放置方位。表2显现了每种状况下提取的ESR和ESL。

  表2.关于不同器材形状和方位，运用FastHenry提取的热回路PCB ESR和ESL

  状况(a)至(c)展现了三种常见功率FET安置，其间选用5mm × 6mm MOSFET。热回路的物理长度决议了寄生阻抗。与状况(a)比较，状况(b)中的90°形状安置和状况(c)中的180°形状安置的回路途径更短，导致ESR下降60%，ESL下降80%。因为90°形状安置显现出了优势，可依据状况(b)研讨更多状况，以进一步下降回路ESR和ESL。状况(d)将一个5mm × 6mm MOSFET替换为两个并联的3.3mm × 3.3mm MOSFET。因为MOSFET尺度更小，回路长度进一步缩短，导致回路阻抗下降7%。状况(e)将一个接地层放置在热回路层下方，与状况(d)比较，热回路ESR和ESL进一步下降2%。原因是接地层上发生了涡流，其感应出相反的磁场，相当于下降了回路阻抗。状况(f)构建了另一个热回路层作为底层。假如将两个并联MOSFET对称安置在顶层和底层，并经过过孔衔接，则因为并联阻抗，热回路PCB ESR和ESL的下降愈加显着。因而，在顶层和底层上以对称90°形状或180°形状安置较小尺度的器材，能够获得最低的PCB ESR和ESL。

  为了经过试验验证MOSFET安置的影响，能够运用ADI的高功率4开关同步降压-升压控制器演示板LT8390/DC2825A和LT8392/DC2626A4。如图7a和图7b所示，DC2825A选用直线MOSFET安置，DC2626A选用90°形状的MOSFET安置。为了进行公正比较，两个演示板装备了相同的MOSFET宽和耦电容，并在36V转12V/10A、300kHz降压操作下进行了测验。图7c显现了M1导通时间测得的VIN沟通纹波。选用90°形状的MOSFET安置时，VIN纹波的起伏更低，谐振频率更高，这就验证了热回路途径较短导致PCB ESL更小。相反，直线MOSFET安置的热回路更长，ESL更高，导致VIN纹波起伏要高得多，而且谐振频率更低。依据Cho和Szokusha研讨的EMI测验成果，较高的输入电压纹波还会导致EMI辐射更严峻4。

  热回路中的过孔布局对回路ESR和ESL也有重要影响。图8对运用两层PCB结构和直线安置功率FET的热回路进行了建模。FET放置在顶层，第二层是接地层。CIN GND焊盘和M2源极焊盘之间的寄生阻抗Z2是热回路的一部分，作为示例进行研讨。Z2是从FastHenry提取的。表3总结并比较了不同过孔安置的仿线.热回路PCB模型，(a) 5个GND过孔接近CIN和M2安置；(b) 14个GND过孔安置在CIN和M2之间；(c) 依据(b)，GND上再安置6个过孔；(d) 依据(c)，GND区域上再安置9个过孔。

  一般，增加更多过孔会下降PCB寄生阻抗。但是，ESR2和ESL2的下降程度与过孔数量并不是线性比例关系。接近引脚焊盘的过孔，所导致的PCB ESR和ESL的下降最显着。因而，关于热回路布局规划，必须将几个要害过孔安置在接近CIN和MOSFET焊盘的方位，以使高频回路阻抗最小。表3.运用不同过孔安置时提取的热回路PCB ESR2和ESL2

  减小热回路的寄生参数有助于进步电源功率，下降电压振铃，并削减EMI。为了尽量减小PCB寄生参数，ADI研讨并比较了运用不同解耦电容方位、MOSFET尺度和方位以及过孔安置的热回路布局规划。更短的热回路途径、更小尺度的MOSFET、对称的90°形状和180°形状MOSFET安置、接近要害元器材的过孔，均有助于完成最低的热回路PCB ESR和ESL。