熱環(huán)路 PCB ESR 和 ESL 與去耦電容器位置的關(guān)系

LTM4638 是一款集成的 20 V IN、15 A 降壓轉(zhuǎn)換器模塊，采用微型 6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA 封裝。它具有高功率密度、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率。該模塊內(nèi)部集成了一個(gè)小型高頻陶瓷C IN，但受模塊封裝尺寸的限制，還不夠。

LTM4638 是一款集成的 20 V IN、15 A 降壓轉(zhuǎn)換器模塊，采用微型 6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA 封裝。它具有高功率密度、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率。該模塊內(nèi)部集成了一個(gè)小型高頻陶瓷C IN，但受模塊封裝尺寸的限制，還不夠。圖 2 至圖 4 顯示了帶有附加外部 C IN的演示板上的三種不同熱環(huán)路。個(gè)是垂直熱環(huán)路 1（圖 2），其中 C IN1位于 μModule 調(diào)節(jié)器正下方的底層。

    圖 2. 垂直熱環(huán)路 1：(a) 頂視圖和 (b) 側(cè)視圖。

Module V IN和 GND BGA 引腳通過(guò)過(guò)孔直接連接到 C IN1 。這些連接提供了演示板上短的熱環(huán)路路徑。第二個(gè)熱環(huán)路是垂直熱環(huán)路 2（圖 3），其中 C IN2仍然放置在底層，但移至 μModule 穩(wěn)壓器的側(cè)面區(qū)域。

圖 3. 垂直熱環(huán)路 2：(a) 俯視圖和 (b) 側(cè)視圖。

因此，額外的 PCB 走線被添加到熱環(huán)路中，并且與垂直熱環(huán)路 1 相比，預(yù)計(jì)會(huì)有更大的 ESL 和 ESR。第三個(gè)熱環(huán)路選項(xiàng)是水平熱環(huán)路（圖 4），其中 C IN3放置在頂層靠近μModule調(diào)節(jié)器。

    圖 4. 水平熱環(huán)路：(a) 頂視圖和 (b) 側(cè)視圖。

Module V IN和 GND 引腳通過(guò)頂層銅連接到 C IN3 ，無(wú)需通過(guò)過(guò)孔。然而，頂層的 V IN 銅線寬度受到其他引腳排列的限制，導(dǎo)致環(huán)路阻抗比垂直熱環(huán)路 1 有所增加。表 1 比較了 FastHenry 提取的熱環(huán)路 PCB ESR 和ESL 。正如預(yù)期的那樣，垂直熱環(huán) 1 具有的 PCB ESR 和 ESL。

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同熱環(huán)路中的 ESR 和 ESL，我們測(cè)試了演示板在 12 V 至 1 V CCM 操作下的效率和 V IN AC 紋波。理論上，較低的 ESR 會(huì)帶來(lái)較高的效率，較小的 ESL 會(huì)導(dǎo)致較高的 V SW振鈴頻率和較低的 V IN紋波幅度。圖 5a 顯示了測(cè)量的效率。垂直熱環(huán)路 1 具有的效率，對(duì)應(yīng)于的 ESR。水平熱環(huán)路和垂直熱環(huán)路1之間的損耗差異也是根據(jù)提取的ESR計(jì)算出來(lái)的，這與圖5b所示的測(cè)試結(jié)果一致。圖 5c 中的V IN HF 紋波波形是通過(guò) C IN進(jìn)行測(cè)試的。

圖 5. 演示板測(cè)試結(jié)果：(a) 效率，(b) 水平環(huán)路和垂直環(huán)路 1 之間的損耗差異，以及 (c) 在 15 A 輸出下 M1 開啟期間的 VIN 紋波。

水平熱環(huán)路具有更高的 V IN紋波幅度和更低的振鈴頻率，因此與垂直熱環(huán)路 1 相比，驗(yàn)證了更高的環(huán)路 ESL。此外，由于環(huán)路 ESR 更高，水平熱環(huán)路中的 V IN 紋波會(huì)衰減比垂直熱環(huán)路 1 更快。此外，較低的 V IN紋波可降低 EMI，并允許使用更小的 EMI 濾波器尺寸。