【導讀】開關模式電源（開關電源）因yin其qi高gao效xiao性xing和he靈ling活huo性xing而er廣guang受shou歡huan迎ying。但dan它ta們men也ye帶dai來lai了le挑tiao戰zhan，因yin為wei其qi應ying用yong已yi經jing延yan伸shen到dao新xin的de領ling域yu。最zui明ming顯xian的de是shi
，其qi高gao頻pin切qie換huan會hui對dui係xi統tong的de其qi他ta部bu分fen產chan生sheng電dian磁ci幹gan擾rao (EMI)。此外，導致 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。

開關模式電源（開關電源）因yin其qi高gao效xiao性xing和he靈ling活huo性xing而er廣guang受shou歡huan迎ying。但dan它ta們men也ye帶dai來lai了le挑tiao戰zhan
，因yin為wei其qi應ying用yong已yi經jing延yan伸shen到dao新xin的de領ling域yu。最zui明ming顯xian的de是shi，其qi高gao頻pin切qie換huan會hui對dui係xi統tong的de其qi他ta部bu分fen產chan生sheng電dian磁ci幹gan擾rao (EMI)。此外，導致 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板（PC 板）布局來實現。

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) 和電路板過孔等。然後會展示 Analog Devices 的高集成度電源轉換器實例，並介紹各種電路板布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；電路產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(shi)因(yin)為(wei)電(dian)路(lu)的(de)這(zhe)一(yi)區(qu)域(yu)進(jin)行(xing)著(zhe)大(da)量(liang)的(de)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)和(he)開(kai)關(guan)活(huo)動(dong)，而(er)這(zhe)些(xie)活(huo)動(dong)往(wang)往(wang)伴(ban)隨(sui)著(zhe)熱(re)量(liang)的(de)產(chan)生(sheng)。對(dui)這(zhe)些(xie)熱(re)回(hui)路(lu)進(jin)行(xing)合(he)理(li)布(bu)局(ju)和(he)設(she)計(ji)對(dui)於(yu)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao) 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。高頻開關會導致 ESL 內產生瞬時振蕩，從而產生電磁幹擾。儲存在 ESL 中的能量會被 ESR 消散，從而導致功率損耗。

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板印製線上。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板布局。

實shi現xian這zhe兩liang個ge目mu標biao的de方fang法fa之zhi一yi就jiu是shi使shi用yong集ji成cheng元yuan件jian。這zhe些xie集ji成cheng元yuan件jian消xiao除chu了le連lian接jie分fen立li元yuan件jian所suo需xu的de電dian路lu板ban印yin製zhi線xian
，同tong時shi減jian少shao了le熱re回hui路lu的de總zong麵mian積ji。兩liang者zhe都dou有you助zhu於yu減jian少shao寄ji生sheng阻zu抗kang。

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zhe可ke以yi使shi穩wen壓ya器qi根gen據ju負fu載zai或huo輸shu入ru的de變bian化hua快kuai速su調tiao整zheng輸shu出chu電dian壓ya，並bing通tong過guo快kuai速su過guo渡du到dao次ci優you工gong作zuo狀zhuang態tai，最zui大da限xian度du地di縮suo短duan寄ji生sheng損sun耗hao的de持chi續xu時shi間jian並bing降jiang低di其qi影ying響xiang。
· 斷續模式運行：zheyunxudianganqidianliuzaixiayigekaiguanzhouqikaishiqianjiangzhiling。zhezhongmoshitongchangzaiqingfuzaitiaojianxiashiyong，tongguozaibufenzhouqineishidianganqiduandian，congerjianshaodianganqidekaiguanhetiesun。
· 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衝或欠衝的可能性。

通過元件布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產生重大影響。

Analog Devices 使用針對 LTM4638 的 DC2665A-B 評估板進行的實驗說明了 CIN 位置選擇的影響。後來
，DC2665B-B 取代了該評估板
，但原理仍適用。圖 4 至圖 6 展示了 CIN 的三種不同布局和相應的熱回路。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，需要電路板印製線和過孔。（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，可避免使用電路板印製線。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表現（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(sui)然(ran)集(ji)成(cheng)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)許(xu)多(duo)優(you)勢(shi)，但(dan)某(mou)些(xie)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)仍(reng)需(xu)要(yao)分(fen)立(li)元(yuan)件(jian)。例(li)如(ru)，大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)可(ke)能(neng)會(hui)超(chao)出(chu)集(ji)成(cheng)設(she)備(bei)的(de)能(neng)力(li)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，分(fen)立(li)功(gong)率(lv) FET 的位置和封裝尺寸都會對熱回路 ESR 和 ESL 產生重大影響。如圖 9 所示，通過測試兩塊評估板可以看出這些影響，這兩塊評估板都采用了高效的 4 開關同步降壓升壓控製器：

· DC2825A 評估板基於 LT8390 降壓升壓穩壓器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
· DC2626A 評估板基於 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）

這兩塊電路板使用相同的 MOSFET 和電容器進行測試
，在 10 A 和 300 千赫茲 (kHz) 頻率下進行 36 至 12 伏的降壓操作。結果表明，90˚ 放置的電壓紋波更低
，諧振頻率更高
，表示由於熱回路徑更短，PC 板 ESL 更小（圖 10）。

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

其他布局考慮因素

在熱回路中采用頂部 FormVVia 布置也會影響回路 ESR 和 ESL。一般來說，增加過孔可以降低電路板的寄生阻抗。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產生積極影響。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板銅，以盡量減少電路板傳導損耗和熱應力。
· 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shi現xian這zhe些xie目mu標biao的de最zui簡jian單dan方fang法fa之zhi一yi就jiu是shi使shi用yong集ji成cheng穩wen壓ya器qi模mo塊kuai。不bu過guo，開kai關guan電dian源yuan通tong常chang需xu要yao使shi用yong電dian容rong器qi等deng散san裝zhuang元yuan件jian，因yin此ci必bi須xu了le解jie熱re回hui路lu布bu局ju的de影ying響xiang。

(作者：Kenton Williston)

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