如何正確布局 40A 電源：鋪銅、過孔和環(huán)路

1.前言

目前的項(xiàng)目，對(duì)電流的需求顯著增加，但整體解決方案尺寸還要求繼續(xù)縮小。為了適應(yīng)，我們可以減小降壓轉(zhuǎn)換器的尺寸，但它仍然必須能夠處理電子系統(tǒng)中不斷增加的功耗。優(yōu)化布局以提高降壓轉(zhuǎn)換器的效率將減少為系統(tǒng)供電所需的電力。

許多電子系統(tǒng)需要多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來為不同的電源軌供電。某些系統(tǒng)可能需要兩個(gè)或更多轉(zhuǎn)換器來為具有高電流需求的單軌供電。設(shè)計(jì)一個(gè)更小的降壓轉(zhuǎn)換器來滿足這一需求的挑戰(zhàn)成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但它是可能的。

新技術(shù)和工藝現(xiàn)已到位，使集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)單路輸出可處理高達(dá) 40A 的降壓轉(zhuǎn)換器。但是，此功能引入了其他問題。一種是印刷電路板 (PCB) 布局。我們可以在考慮到空間限制的情況下設(shè)計(jì)最佳降壓轉(zhuǎn)換器和功率級(jí)，但如果我們未能正確布置 PCB，一切都將丟失。

由于每個(gè)輸出的電流為 40A，PCB 布局對(duì)于散熱和效率至關(guān)重要。如果不優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)，40A時(shí)的直流損耗會(huì)因?yàn)榱縻~區(qū)電阻較高而大幅增加。因此，在這篇文章中，我將解釋覆銅區(qū)域、通孔尺寸和數(shù)量以及多層電路板上的電流回路路徑的重要性。

2.覆銅區(qū)

如果知道銅的截面積（厚×寬）、長度和電阻率，就可以計(jì)算出銅走線、銅平面或澆銅的電阻。借助這些數(shù)據(jù)，我們可以確定銅的尺寸以優(yōu)化 PCB 的散熱、效率和信號(hào)完整性性能。具有多個(gè)埋銅層的多層板通過通孔連接到頂層或底層，也有助于將熱量從 IC 上散發(fā)出去。圖 #1 顯示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)區(qū)域之間的效率差異。修改后的開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積比原來的大，降低了直流損耗。

圖 1：修改后的開關(guān)節(jié)點(diǎn)區(qū)域顯示尺寸增加與原始開關(guān)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的對(duì)比

PCB走線或PCB上的銅導(dǎo)體，可在PCB表面?zhèn)鲗?dǎo)信號(hào)。蝕刻后留下的是銅箔的狹窄部分，流過銅線的電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。正確校準(zhǔn)后的PCB走線寬度和厚度有助于最大程度地減少電路板上的熱量積聚。走線寬度越寬，對(duì)電流的阻抗越低，并且熱量積聚越少。PCB走線寬度是走線的水平尺寸，而厚度是走線的垂直尺寸。

PCB的設(shè)計(jì)始終從默認(rèn)走線寬度開始。但是，這樣的默認(rèn)走線寬度并不總是適合于所需的PCB。這是因?yàn)?span>我們需要考慮走線的電流承載能力來確定走線寬度。

確定正確的走線寬度時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素：

1. 銅層厚度–銅層厚度是PCB上的實(shí)際走線厚度，大電流PCB的默認(rèn) 銅厚度為1盎司（35微米）到2盎司（70微米）。

2. 2.導(dǎo)線的截面積–要想PCB具有更高的功率，就要讓走線具有更大的截 面積，這與走線寬度成正比。

3.跡線的位置–底層或頂層或內(nèi)層。

3.過孔尺寸和數(shù)量

當(dāng)過孔將兩條走線或平面連接在一起時(shí)，它們就構(gòu)成了串聯(lián)電阻元件。通常，多個(gè)過孔并聯(lián)會(huì)降低有效電阻。就像扁平銅的面積和厚度一樣，通孔具有有限的電阻。因此，我們必須優(yōu)化過孔的數(shù)量和尺寸，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的熱性能和效率。

圖#2 和#3 代表具有相同設(shè)置和布局的兩個(gè) PCB。唯一的區(qū)別是 IC 散熱墊上的通孔數(shù)量。

圖#2：在散熱墊下有 11 個(gè)過孔的 PCB

*S2（站點(diǎn) 2）：IC 上集成 FET 的位置

圖 #3：在散熱墊下有 35 個(gè)過孔的 PCB

4.電流回路

我們還需要優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器中高側(cè)場效應(yīng)晶體管 (FET) 和低側(cè) FET 的每個(gè)交替工作狀態(tài)之間的電流回路路徑。我們的優(yōu)化應(yīng)包括回路的距離和載流能力。正確規(guī)劃 IC 引出線設(shè)計(jì)也成為 PCB 布局過程中的一個(gè)因素。我們應(yīng)該盡可能地減少電流回路面積。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，我們正在將更多的硅封裝到同一個(gè)封裝中，以實(shí)現(xiàn)更高額定電流的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。例如，考慮具有自適應(yīng)內(nèi)部補(bǔ)償和集成 NexFET? MOSFET 的新型 40A SWIFT? TPS543C20 同步降壓轉(zhuǎn)換器。然而，基本問題仍然是如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便我們不損害熱性能和效率。希望這篇文章能幫助我們正確創(chuàng)建更小尺寸的真正 40A 電源設(shè)計(jì)。