基於 PCB 電源佈局，本文介紹了優化簡單開關電源模塊性能的最佳PCB佈局方法、示例和技術。

在規劃電源佈局時，首先要考慮的是兩個開關電流環路的物理環路面積。 Although these loop regions are largely invisible in the power module, it is important to understand the respective current paths of the two loops because they extend beyond the module. 在圖 1 所示的迴路 1 中，電流自導輸入旁路電容（Cin1）在高端 MOSFET 連續導通期間通過 MOSFET 到達內部電感和輸出旁路電容（CO1），最後返回到輸入旁路電容。

Schematic diagram of loop in the power module www.elecfans.com

圖1 電源模塊迴路示意圖

Loop 2 is formed during the turn-off time of the internal high-end MOSFEts and the turn-on time of the low-end MOSFEts. 存儲在內部電感器中的能量在返回到 GND 之前流經輸出旁路電容器和低端 MOSFET（見圖 1）。 兩個迴路不重疊的區域（包括迴路之間的邊界）是具有高 DI/DT 電流的區域。 輸入旁路電容器 (Cin1) 在向轉換器提供高頻電流並將高頻電流返回其源路徑方面起著關鍵作用。

輸出旁路電容器 (Co1) 不承載太多交流電流，但用作開關噪聲的高頻濾波器。 由於上述原因，輸入和輸出電容應盡可能靠近模塊上各自的 VIN 和 VOUT 引腳放置。 如圖 2 所示，通過使旁路電容器與其各自的 VIN 和 VOUT 引腳之間的接線盡可能短而寬，可以將這些連接產生的電感降至最低。

圖 2 SIMPLE SWITCHER 迴路

最小化 PCB 佈局中的電感有兩個主要好處。 首先，通過促進 Cin1 和 CO1 之間的能量轉移來提高組件性能。 這確保模塊具有良好的高頻旁路，從而最大限度地減少由於高 DI/DT 電流引起的感應電壓峰值。 它還最大限度地降低了設備噪聲和電壓應力，以確保正常運行。 其次，盡量減少 EMI。

連接寄生電感較小的電容器對高頻表現出低阻抗特性，從而減少傳導輻射。 建議使用陶瓷電容器（X7R 或 X5R）或其他低 ESR 類型的電容器。 只有在 GND 和 VIN 端附近放置額外的電容器時，額外的輸入電容器才能發揮作用。 The Power module of the SIMPLE SWITCHER is uniquely designed to have low radiation and conducted EMI. However, follow the PCB layout guidelines described in this article to achieve higher performance.

電路電流路徑規劃往往被忽視，但它在優化電源設計中起著關鍵作用。 In addition, ground wires to Cin1 and CO1 should be shortened and widened as much as possible, and bare pads should be directly connected, which is especially important for input capacitor (Cin1) ground connections with large AC currents.

模塊中的接地引腳（包括裸焊盤）、輸入輸出電容、軟啟動電容和反饋電阻都應連接到 PCB 上的環路層。 該環路層可用作具有極低電感電流的返迴路徑和下文討論的散熱裝置。

無花果。 3 模塊與PCB作為熱阻示意圖

反饋電阻也應盡可能靠近模塊的 FB（反饋）引腳。 To minimize the potential noise extraction value at this high impedance node, it is critical to keep the line between the FB pin and the feedback resistor’s middle tap as short as possible. Available compensation components or feedforward capacitors should be placed as close to the upper feedback resistor as possible. For an example, see the PCB layout diagram in the relevant module data table.

For AN example layout of LMZ14203, see the application guide document AN-2024 provided at www.naTIonal.com.

散熱設計建議

模塊的緊湊佈局在提供電氣優勢的同時，對散熱設計產生了負面影響，其中較小的空間耗散了等效的功率。 To address this problem, a single large bare pad is designed on the back of the Power module package of the SIMPLE SWITCHER and is electrically grounded. 焊盤有助於從內部 MOSFET（通常產生大部分熱量）到 PCB 提供極低的熱阻。

這些器件從半導體結到外封裝的熱阻抗 (θJC) 為 1.9℃/W。 雖然實現行業領先的 θJC 值是理想的，但當外封裝對空氣的熱阻抗 (θCA) 太大時，低的 θJC 值毫無意義！ 如果沒有為周圍空氣提供低阻抗散熱路徑，熱量會積聚在裸焊盤上，無法散去。 那麼是什麼決定了θCA呢？ 從裸焊盤到空氣的熱阻完全由 PCB 設計和相關的散熱器控制。

現在快速了解如何設計一個沒有翅片的簡單 PCB，圖 3 將模塊和 PCB 說明為熱阻。 由於結點與外封裝頂部之間的熱阻與結點到裸焊盤的熱阻相比相對較高，因此在第一次估算結點到裸焊盤的熱阻時，我們可以忽略 θJA 散熱路徑。周圍空氣 (θJT)。

散熱設計的第一步是確定要耗散的功率量。 使用數據表中發布的效率圖 (η) 可以輕鬆計算模塊 (PD) 消耗的功率。

然後我們使用設計中的最高溫度 TAmbient 和額定結溫 TJuncTIon(125°C) 的溫度約束來確定 PCB 上封裝模塊所需的熱阻。

最後，我們使用了 PCB 表面上最大對流熱傳遞的簡化近似值（帶有未損壞的 1 盎司銅翅片和頂層和底層的大量散熱孔）來確定散熱所需的板面積。

所需的 PCB 面積近似值沒有考慮散熱孔所起的作用，這些孔將熱量從頂部金屬層（封裝連接到 PCB）傳遞到底部金屬層。 底層作為第二個表面層，對流可以通過它從板傳遞熱量。 至少應使用 8 到 10 個冷卻孔，以使電路板面積近似值有效。 散熱器的熱阻由以下等式近似計算。

此近似值適用於直徑為 12 密耳且具有 0.5 盎司銅側壁的典型通孔。 在裸焊盤下方的整個區域應設計盡可能多的散熱孔，這些散熱孔應形成間距為1至1.5mm的陣列。

結論

SIMPLE SWITCHER 電源模塊為複雜的電源設計和與 DC/DC 轉換器相關的典型 PCB 佈局提供了替代方案。 雖然已經消除了佈局挑戰，但仍需要完成一些工程工作，以通過良好的旁路和散熱設計來優化模塊性能。