POL负载点电源设计中有何诀窍?有两点很关键,你必须知道~

负载点电源POL,即Point-of-Load(负载旁边的电源)。一般我们会把负载点电源尽量靠近负载放置, 这么做可以最大限度地确保供电效率和准确性。

图1:常见POL电源的拓扑结构

本文通过分析PCB走线电阻和寄生参数对于传输效率的影响,来解释为什么要把电源尽量靠近负载放置。然后,通过POL应用设计实例,来看看POL设计中有哪些需要注意的因素。

为什么要把电源尽量靠近负载放置?

特别对于大电流的负载,我们可能需要考虑PCB走线电阻和寄生参数对于传输效率的影响。

下表比较了不同宽度PCB走线对于传输效率的影响:

图2:不同PCB走线宽度下的电压降

较宽的PCB走线的确可以降低PCB走线上的电压降,但是我们还要考虑寄生参数。寄生电感会抑制负载变化时电流di/dt的动态变化,恶化瞬态响应;而寄生电容会导致电压下降。

图3:PCB走线寄生电感/电容

根据ADI LTspice®模型, 上图中的50mm PCB走线估计电感约为14.1nH。

图4:寄生电感/电容对于瞬态响应的影响(图片来源:ADI)

如上图所示,寄生电感会抑制瞬态负载变化时电流di/dt的动态变化,从而恶化瞬态响应,而寄生电容会导致电压下降。

  • POL理想的PCB走线

POL理想的PCB走线如下图所示。

图5:POL理想的PCB走线(图片来源:ADI)

有图中可见,POL应尽量靠近负载,走线短而宽, 从而将PCB电阻和寄生参数的影响降至最低。

总结一下——将电源尽量靠近负载放置, 有利于减小PCB走线电阻和寄生参数,从而最大限度地确保供电效率和准确性。

POL设计实例

由于要求POL电源和负载的距离尽可能短。在设计时,我们必须要注意POL电源的PCB占地面积以及散热设计,以保证方案的可行性。

  • POL电源的PCB占地面积

传统电源方案可能体积会很大,而专门的POL方案会尽可能减少电源的体积。

传统方案(控制器+外部MOS管):传统方案只要靠近负载放置,也可以解决大电流负载的问题,但是这种方案往往体积会很大。

图6:传统方案:控制器+外部MOS管(图片来源:ADI)

POL方案:控制器+内部FET:比如使用LTC3310S,这是专门为POL设计的芯片,很大程度上减少了PCB板的占地面积。

LTC3310S负载电流高达10 A;尺寸仅3mm × 3mm,且内含MOS管;支持5MHz高频操作,因此可以使用更小的输出电容。

我们来看看LTC3310S的表现:假设3.3V转1.2V,2MHz,输出电容为110μF,电感为100nH,当负载从1A变化到9A,负载电流上升速度:1A/us。下图显示了LTC3310S在负载从1A变化到9A的输出表现。

图7:LTC3310S在负载从1A变化到9A的输出表现(图片来源于ADI)

也就是说,使用110µF输出电容即可实现这样的性能,8 A负载变化导致输出电压偏移小于±40 mV。

  • 良好的散热设计:

除了PCB的占板面积,还有一个POL设计时必须要解决的问题——良好的散热设计。高性能单片POL的确可以节省很多空间,但是可能也会导致发热量过高,因此,需要良好的散热设计。

良好的PCB板设计有助于散热。

图9:LTC3310S推荐接地平面设计 (图片来源:LTC3310S数据手册)

对于常见的两层PCB板,可以加大地平面,并且在发热量大的关键区域设置热通孔,加快热的传导。除此之外,还可以通过温度检测,到达相应温度后主动关断电路来防止芯片过热。比如,LTC3310S自带温度检测的功能,如果温度超过某一阈值,电路会自己关断。

下面,我们来看优化散热设计之后,LTC3310S的实际温度:

图8:LTC3310S发热量 (图片来源:ADI)

  • LTC3310S:3.3V转0.6V,5A
  • 表面温度:101.6℃
  • 节点温度:102.2℃
  • PCB表面温度:96.7℃

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在DigiKey的『直流转换器』目录下,可以根据类型栏里的筛选项,筛选出合适POL模块。

同时,DigiKey和可提供LTC3310S配套开发板,为设计POL电路节省时间。

本文小结

将电源尽量靠近负载放置, 有利于减小PCB走线的电阻和寄生参数,从而最大限度地确保供电效率和准确性。对于POL设计,减小POL电源PCB占板面积,优化散热设计,是POL设计的重中之重。

更多有关POL的技术內容, 请点击以下链接,也欢迎大家在文末留言讨论。

关于此作者

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Alan Yang 是DigiKey在上海的应用工程师,负责分享解决方案和业内技术,以协助客户进行项目设计。他拥有5年的仪器仪表行业电路设计方面的经验,擅长于小信号放大电路的设计开发。Alan毕业于上海理工大学。拥有两个学位,医学影像工程与工商管理。闲暇时,兴趣爱好广泛。喜欢旅行,话剧,阿卡贝拉。

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