設計高密度dcdc轉換器時所面臨的挑戰(zhàn)

在當今這個競爭激烈的時代，產(chǎn)品設計人員面臨的挑戰(zhàn)是：不僅要緊跟同行步伐，而且要保持領先群雄的地位。這就對那些欲借助差異化產(chǎn)品進行創(chuàng)新的系統(tǒng)設計人員提出了更高的要求。

創(chuàng)新的一種重要方法是使用高密度設計。為推出占位面積更小的解決方案，電源系統(tǒng)設計人員現(xiàn)在正集中研究功率密度（一個功率轉換器電路每單位面積或體積的輸出功率）的問題。

高密度直流/直流（dcdc）轉換器印刷電路板（pcb）布局最引人矚目的范例涉及功率級組件的放置和布線。精心的布局可同時提高開關性能、降低組件溫度并減少電磁干擾（EMI）信號。請細看圖1中的功率級布局和原理圖。

圖1：四開關降壓-升壓型轉換器功率級布局和原理圖

在筆者看來，這些都是設計高密度dcdc轉換器時所面臨的挑戰(zhàn)：

組件技術

組件技術的進步是降低整體功耗的關鍵，尤其在較高的開關頻率下對濾波器無源組件的尺寸減小更是至關重要。例如，功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）已見證了硅芯片和封裝方面的一致進展，其中最值得注意的是采用了極少出現(xiàn)寄生現(xiàn)象的氮化鎵（GaN）功率器件。與此同時，磁性組件的性能也得到了單獨提升，雖然其速度可能落后于功率半導體組件的性能提升速度。憑借控制集成電路（IC）的謹慎布局（集成式自適應柵極驅動器靠近MOSFET），在很多情況下無需再用功率耗散緩沖器或柵極電阻器組件進行開關節(jié)點電壓轉換速率的調整。

散熱設計

雖然高密度布局一般有利于提升轉換效率，但它可能會形成一個散熱性能瓶頸。要在更小的占位空間內實現(xiàn)相同功耗的想法變得站不住腳。組件溫度攀升會使較高的故障率和可靠性問題更嚴重。把外形較纖薄的功率MOSFET放置在pcb頂部（不會被電感器和電解電容器等較厚的組件遮蔽氣流）有助于通過對流氣流提高散熱性能。就圖1中的轉換器而言，電感器和電解電容器被特意放在了多層pcb的底部，因為如果置于頂部，它們會妨礙熱傳遞。

抗EMI性能

EMI合規(guī)性是產(chǎn)品設計周期中的一個重要里程碑。高密度設計通常沒有多少可用于EMI濾波的空間。但嚴密的布局可改善輻射發(fā)射狀況，并對傳送進來的干擾產(chǎn)生更強的抵御能力。兩個基本步驟是：最大限度地減少載有大di/dt電流的環(huán)路面積（見圖1中的白色電流路徑），并縮減具有高dv/dt電壓的表面積（見圖1中的覆銅多邊形SW1和SW2）。

高密度pcb設計流程

顯然，對電源系統(tǒng)設計人員來說，培養(yǎng)和磨礪自己的pcb設計技能非常重要。盡管布局的職責往往會委托給布局專家，但工程師仍承擔著審查設計并且非正式批準它的最終責任。

dcdc轉換器pcb設計流程的基本步驟是：

基本步驟

1. 選擇pcb結構和層疊規(guī)范。

2. 從原理圖中找出大di/dt電流環(huán)路和高dv/dt電壓節(jié)點。

3. 進行功率級組件的布局和放置。

4. 放置控制IC并完成控制部分布局。

5. 進行關鍵的跟蹤布線，包括MOSFET柵極驅動、電流檢測和輸出電壓反饋。

6. 設計電源和接地（GND）層。