电源管理

1.7串联电容降压变换器的PCB

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这一节我们主要介绍是跟串联电容 Buck 电路的 PCB 有关的一些问题首先来看我们的主控芯片 TPS54A20 的一个封装它是采用我们 TI 的 HotRod 的 QFN 封装那么这种封装就是能够把我们芯片内部带的 Pin 脚直接引到我们那个芯片的相应的一个脚上那么因为 HotRod 的这种封装它是在我们的芯片的背面就是它的镀皮下面都有直接的那个 Pin 脚的那么从芯片的内部带到我们这个芯片的焊盘上它的这个引线变短那么就可以有效地降低我们整个系统的杂生的一些参数包括一些杂生电感包括一些杂生的电容同样的话对于我们这个封装来说我们的 PGND 的那个 Pin 上也能够直接打一些过孔那么可以有效地帮助我们这个封装进行散热左边这个图是我们这个 PCB layout 的简单的一个示意图我们可以看到就是左边我们一般都会放一个输入的电容那么右边就放了一个串联电容这个是跟我们整个主功率的一个方向是有关系的那么这里我们需要注意的一些原则就是第一个输入的电容跟串联电容要尽量地靠近芯片因为我们的输入电容跟串联电容它同时就对应着我们在上管开通的时候的一个纹波电流的滤波所以这两个电容加上我们的芯片再回到地之间会形成一个高频的电流回路所以说我们尽量要保证这个高频电流回路要尽量小那么第二个就是要把两路高端管子的驱动的一些自举电容的两个自举电容尽量靠近 IC 也就是能够让我们的整个的驱动的回路尽量地短那么第三个特点就是说尽量地把一些过孔打在 PGND 上那么这样子就能够让我们的过孔直接跟我们第二层或者 PGND 相连就可以很好地把我们芯片上的热导到我们相应的地平面上去同时也能够很好地帮助我们地电流的一个回流下面我们就来看我们做了一个 PCB layout 的示例那么我们看到这个图里面就是我们整个电路平板的一个布局图那么从这里布局图里面可以看到我们的左边就放置了输入电容那么右边就像我们刚刚建议的也放了一个串联电容那么串联电容右边就放了两个输出的电感那么我们可以看到就是这个有一个为蓝色的圈那么蓝色这个圈就代表着 A 相的一个开关的电流回路那么这个它相对应的是由我们这个输入的电容加上 A 相的上管加 A 相的下管然后就形成了一个高频的电流回路对于 B 路来说它所形成的这个电流回路就是由我们的串联电容再加上 B 相的上管加上 B 相下管那么这样子形成一个高频的电流回路那么对应于我们这个图上就是这个红色的虚线框所框的一个区域面积这样做的话就是能够尽量地让两个高频的电流回路能够做到尽量地小就有利于降低我们整个高频电路回路里面的一些杂生的电感使我们的开关节点的振铃能够降到一个最低的效果最后一个就是关于热的效应大家都比较关心当我们这个输入电压是 12V 输入那么输出是 1.2V、10A 的输出的时候这么大的一个电流对我们整个的功率及它的热会有多少下面我们这个图里面给出了这个热成像的一个答案我们可以看到就是在常温的时候我们的电感基本上是不热的那么最热的地方就是我们的主控芯片 TPS54A20 因为它集成了我们的 A 相跟 B 相的上管跟下管这四个管子所以说它里面的损耗相对来说是最集中的但是从我们的测试结果来看它最热的热点也并没有超过 67° 所以说从整体的效果来看我们的热是非常好的下面我们做了一个尺寸的比较那么左边是一个 10A 的 Buck 评估板上用的一颗电感它用的是一个 10×10×4.7 的电感那么右边是用 TPS54A20 做的一个评估板那么它也是同样的一个输出电流但是我们整个平板的尺寸却只有 16×10×1.85 所以说我们整个平板的尺寸都只有我们所做对比这个电感尺寸的大概 1/3 这么大从这一方面来看我们的串联电容 Buck 电路对尺寸改善是非常明显的最后给大家总结一下我们今天所讲的主要内容那么首先第一点我们介绍了高频化的一个操作能够给我们开关电源带来哪些好处比如说降低尺寸能够改善我们的动态响应那么第二个我们又提到了如果用传统的一个 Buck 电路仅仅是提高开关频率会给它带来哪些局限性包括一些更大的开关损耗包括一些占空比的局限性那么第三个就是重点介绍了我们的串联电容 Buck 电路它适用于这种高频化 Buck 电路的主要的一些工作模式与特点最后就给大家介绍了我们这个高频串联电容 Buck 电路设计的一些要点包括一些电容的选择包括一些频率的选择以及 PCB 的一些设计的原则谢谢大家的时间