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DC/DC转换器高密度PCB板布局(第二部分)

来源:网络整理 作者:佚名2017年04月18日 11:26
[导读] 正如笔者在第1部分中所提,专用于电源管理的印刷电路板(PCB)面积对系统设计人员而言是极大的约束。降低转换损耗是一项基本要求,以便能在PCB基板面有限的空间受约束型应用中实现紧凑的方案。在电路板上具有战略意义的位置灵活部署转换器的能力也很重要以大电流负载点(POL)模块为例,处于邻近负载的最佳位置可降低导通压降并改善负载瞬态性能。
关键词:DC/DC转换器PCB

正如笔者在第1部分中所提,专用于电源管理的印刷电路板(PCB)面积对系统设计人员而言是极大的约束。降低转换损耗是一项基本要求,以便能在PCB基板面有限的空间受约束型应用中实现紧凑的方案。

在电路板上具有战略意义的位置灵活部署转换器的能力也很重要 —— 以大电流负载点(POL)模块为例,处于邻近负载的最佳位置可降低导通压降并改善负载瞬态性能。

请细看图1中外形微缩的降压型转换器的功率级布局。作为一个嵌入式POL模块实施方案,它采用了一个全陶瓷电容器设计、一个高效屏蔽式电感器、若干垂直堆叠的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、一个电压模式控制器以及一个具有2盎司覆铜的六层PCB。

 

DC/DC转换器的高密度印刷电路板(PCB)布局,第2部分

 

125A同步降压型转换器PCB布局和实施方案

 

本设计的主要原则是实现高功率密度和低材料清单(BOM)成本。它总共占用的PCB面积为2.2cm2(0.34in2),每单位面积产生的有效电流密度为11.3A/cm2(75A/in2)。3.3V输出时每单位体积的功率密度为57W/in2(930W/in3)。

为达到高功率密度,通常的做法是增加开关频率。相比之下,您可通过具有战略意义的组件选择来实现小型化,同时保持300kHz的较低开关频率,旨在减少MOSFET开关损耗和电感器磁芯损耗等与频率成比例的损失。表1列出了本设计的基本组件。

 

动力传动系部件

 

封装和外形(mm

 

推荐的焊盘图案外部尺寸(mm

 

CSD86350Q5D NexFETÔ电源块

 

5.0 x 6.0 x 1.5 (SON5x6)

 

5.15 x 6.24

 

LM27402 3V-20V脉宽调变(PWM)控制器

 

4.0 x 4.0 x 0.8 (WQFN-16)

 

4.2 x 4.2

 

0.68µH、1.6mΩ、33A滤波器电感器

 

11.5 x 10.3 x 4.0

 

4.1 x 13.6

 

22μF输入和47μF输出X5R电容器

 

2.0 x 1.25 x 1.35 (0805)

 

2.2 x 1.3

 

终端连接

 

2.0 x 3.0

 

2.0 x 3.0(在主机板上)

 

 

 

1POL模块组件、封装大小和推荐的焊盘尺寸

 

高密度PCB设计的价值主张

 

显然,PCB是一个设计中的重要(有时是最昂贵的)组件。为高密度DC/DC转换器精心策划并认真实施的PCB布局的价值主张在于:

在空间受限型设计(缩减的解决方案体积和占位面积)中实现更多的功能。

减小开关环路的寄生电感,有助于:

减少功率MOSFET电压应力(开关节点电压尖峰)和鸣响。

降低开关损耗。

减少电磁干扰(EMI)、磁场耦合和输出噪声信号。

额外的容限可确保在输入轨瞬态电压干扰中安然无恙(特别是在宽VIN范围的应用里)。

增加可靠性和稳健性(降低组件温度)。

通过缩小PCB、减少滤波组件并去除缓冲器来节约成本。

与众不同的设计可提供竞争优势、赢得客户关注并增加收入。

公平地说,PCB布局可决定一个开关功率转换器最终实现的性能。当然,不必花无数个小时为EMI、噪声、信号完整性以及与较差布局相关的其它问题进行调试,这会让设计人员感到非常高兴。

其它资源:

 

在EDN上阅读《DC/DC转换器PCB布局》的第1部分、第2部分和第3部分。

观看有关高密度降压型转换器解决方案显著特点的视频。

查看来自PowerLab参考设计库的这些高密度设计的原理图、布局和测试报告:

外型小巧的高效112W同步降压型TI Designs参考设计

企业开关应用里适合中央处理器(CPU)内核电源的高功率密度稳压器模块TI Designs参考设计。

电感器置顶的高功率密度12Vin、100W同步DC/DC步降(降压)型转换器TI Designs参考设计。

订购高密度LM27403EVM-POL600 30A 600kHz POL评估模块(EVM)。

现在就用WEBENCH®Power Designer开始设计。

 

原文链接:

https://e2e.TI.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/16/high-density-pcb-layout-of-dc-dc-converters-part-2

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