DC/DC转换器高密度PCB板布局（第二部分）

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。

 

 

图1：25A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）

 

 

 

表1：POL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）。

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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