POL設(shè)計(jì)中有哪些需要注意的因素

負(fù)載點(diǎn)電源POL，即Point-of-Load（負(fù)載旁邊的電源）。一般我們會(huì)把負(fù)載點(diǎn)電源盡量靠近負(fù)載放置， 這么做可以最大限度地確保供電效率和準(zhǔn)確性。

圖1：常見POL電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文通過分析PCB走線電阻和寄生參數(shù)對于傳輸效率的影響，來解釋為什么要把電源盡量靠近負(fù)載放置。然后，通過POL應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例，來看看POL設(shè)計(jì)中有哪些需要注意的因素。

為什么要把電源盡量靠近負(fù)載放置？

特別對于大電流的負(fù)載，我們可能需要考慮PCB走線電阻和寄生參數(shù)對于傳輸效率的影響。 下表比較了不同寬度PCB走線對于傳輸效率的影響：

圖2：不同PCB走線寬度下的電壓降

較寬的PCB走線的確可以降低PCB走線上的電壓降，但是我們還要考慮寄生參數(shù)。寄生電感會(huì)抑制負(fù)載變化時(shí)電流di/dt的動(dòng)態(tài)變化，惡化瞬態(tài)響應(yīng)；而寄生電容會(huì)導(dǎo)致電壓下降。

圖3：PCB走線寄生電感/電容

根據(jù)ADI LTspice?模型，上圖中的50mm PCB走線估計(jì)電感約為14.1nH。

圖4：寄生電感/電容對于瞬態(tài)響應(yīng)的影響（圖片來源：ADI）

如上圖所示，寄生電感會(huì)抑制瞬態(tài)負(fù)載變化時(shí)電流di/dt的動(dòng)態(tài)變化，從而惡化瞬態(tài)響應(yīng)，而寄生電容會(huì)導(dǎo)致電壓下降。

POL理想的PCB走線

POL理想的PCB走線如下圖所示。

圖5：POL理想的PCB走線（圖片來源：ADI）

由圖中可見，POL應(yīng)盡量靠近負(fù)載，走線短而寬， 從而將PCB電阻和寄生參數(shù)的影響降至最低。 總結(jié)一下——將電源盡量靠近負(fù)載放置， 有利于減小PCB走線電阻和寄生參數(shù)，從而最大限度地確保供電效率和準(zhǔn)確性。

POL設(shè)計(jì)實(shí)例

由于要求POL電源和負(fù)載的距離盡可能短。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們必須要注意POL電源的PCB占地面積以及散熱設(shè)計(jì)，以保證方案的可行性。

POL電源的PCB占地面積

傳統(tǒng)電源方案可能體積會(huì)很大，而專門的POL方案會(huì)盡可能減少電源的體積。 傳統(tǒng)方案（控制器+外部MOS管）：傳統(tǒng)方案只要靠近負(fù)載放置，也可以解決大電流負(fù)載的問題，但是這種方案往往體積會(huì)很大。

圖6：傳統(tǒng)方案：控制器+外部MOS管（圖片來源：ADI）

POL方案：控制器+內(nèi)部FET：比如使用LTC3310S，這是專門為POL設(shè)計(jì)的芯片，很大程度上減少了PCB板的占地面積。 LTC3310S負(fù)載電流高達(dá)10A；尺寸僅3mm × 3mm，且內(nèi)含MOS管；支持5MHz高頻操作，因此可以使用更小的輸出電容。 我們來看看LTC3310S的表現(xiàn)：假設(shè)3.3V轉(zhuǎn)1.2V，2MHz，輸出電容為110μF，電感為100nH，當(dāng)負(fù)載從1A變化到9A，負(fù)載電流上升速度：1A/us。下圖顯示了LTC3310S在負(fù)載從1A變化到9A的輸出表現(xiàn)。

圖7：LTC3310S在負(fù)載從1A變化到9A的輸出表現(xiàn)（圖片來源于ADI）

也就是說，使用110μF輸出電容即可實(shí)現(xiàn)這樣的性能，8 A負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓偏移小于±40 mV。

良好的散熱設(shè)計(jì)：

除了PCB的占板面積，還有一個(gè)POL設(shè)計(jì)時(shí)必須要解決的問題——良好的散熱設(shè)計(jì)。高性能單片POL的確可以節(jié)省很多空間，但是可能也會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量過高，因此，需要良好的散熱設(shè)計(jì)。 良好的PCB板設(shè)計(jì)有助于散熱。

圖8：LTC3310S推薦接地平面設(shè)計(jì) （圖片來源：LTC3310S數(shù)據(jù)手冊）

對于常見的兩層PCB板，可以加大地平面，并且在發(fā)熱量大的關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置熱通孔，加快熱的傳導(dǎo)。除此之外，還可以通過溫度檢測，到達(dá)相應(yīng)溫度后主動(dòng)關(guān)斷電路來防止芯片過熱。比如，LTC3310S自帶溫度檢測的功能，如果溫度超過某一閾值，電路會(huì)自己關(guān)斷。 下面，我們來看優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)之后，LTC3310S的實(shí)際溫度：

圖9：LTC3310S發(fā)熱量 （圖片來源：ADI）

LTC3310S：3.3V轉(zhuǎn)0.6V，5A

表面溫度：101.6℃

節(jié)點(diǎn)溫度：102.2℃

PCB表面溫度：96.7℃

Digi-Key提供的設(shè)計(jì)資源

為了幫助開發(fā)者順利地完成POL的應(yīng)用設(shè)計(jì)，Digi-Key可以提供豐富的設(shè)計(jì)資源。

Digi-Key POL直流轉(zhuǎn)換器

在Digi-Key的『直流轉(zhuǎn)換器』目錄下，可以根據(jù)類型欄里的篩選項(xiàng)，篩選出合適POL模塊。

LTC3310S開發(fā)板

同時(shí)，Digi-Key和可提供LTC3310S配套開發(fā)板，為設(shè)計(jì)POL電路節(jié)省時(shí)間。

本文小結(jié)

將電源盡量靠近負(fù)載放置， 有利于減小PCB走線的電阻和寄生參數(shù)，從而最大限度地確保供電效率和準(zhǔn)確性。對于POL設(shè)計(jì)，減小POL電源PCB占板面積，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，是POL設(shè)計(jì)的重中之重。