如何正确布局 40A 电源：铺铜、过孔和环路

1.前言

目前的项目，对电流的需求显着增加，但整体解决方案尺寸还要求继续缩小。为了适应，我们可以减小降压转换器的尺寸，但它仍然必须能够处理电子系统中不断增加的功耗。优化布局以提高降压转换器的效率将减少为系统供电所需的电力。

许多电子系统需要多个降压转换器来为不同的电源轨供电。某些系统可能需要两个或更多转换器来为具有高电流需求的单轨供电。设计一个更小的降压转换器来满足这一需求的挑战成为一项艰巨的任务，但它是可能的。

新技术和工艺现已到位，使集成电路 (IC) 设计人员能够设计单路输出可处理高达 40A 的降压转换器。但是，此功能引入了其他问题。一种是印刷电路板 (PCB) 布局。我们可以在考虑到空间限制的情况下设计最佳降压转换器和功率级，但如果我们未能正确布置 PCB，一切都将丢失。

由于每个输出的电流为 40A，PCB 布局对于散热和效率至关重要。如果不优化电路板设计，40A时的直流损耗会因为流铜区电阻较高而大幅增加。因此，在这篇文章中，我将解释覆铜区域、通孔尺寸和数量以及多层电路板上的电流回路路径的重要性。

2.覆铜区

如果知道铜的截面积（厚×宽）、长度和电阻率，就可以计算出铜走线、铜平面或浇铜的电阻。借助这些数据，我们可以确定铜的尺寸以优化 PCB 的散热、效率和信号完整性性能。具有多个埋铜层的多层板通过通孔连接到顶层或底层，也有助于将热量从 IC 上散发出去。图 #1 显示了开关节点区域之间的效率差异。修改后的开关节点面积比原来的大，降低了直流损耗。

图 1：修改后的开关节点区域显示尺寸增加与原始开关节点区域的对比

PCB走线或PCB上的铜导体，可在PCB表面传导信号。蚀刻后留下的是铜箔的狭窄部分，流过铜线的电流会产生大量的热量。正确校准后的PCB走线宽度和厚度有助于最大程度地减少电路板上的热量积聚。走线宽度越宽，对电流的阻抗越低，并且热量积聚越少。PCB走线宽度是走线的水平尺寸，而厚度是走线的垂直尺寸。

PCB的设计始终从默认走线宽度开始。但是，这样的默认走线宽度并不总是适合于所需的PCB。这是因为我们需要考虑走线的电流承载能力来确定走线宽度。

确定正确的走线宽度时，需要考虑几个因素：

1. 铜层厚度–铜层厚度是PCB上的实际走线厚度，大电流PCB的默认 铜厚度为1盎司（35微米）到2盎司（70微米）。

2. 2.导线的截面积–要想PCB具有更高的功率，就要让走线具有更大的截 面积，这与走线宽度成正比。

3.迹线的位置–底层或顶层或内层。

3.过孔尺寸和数量

当过孔将两条走线或平面连接在一起时，它们就构成了串联电阻元件。通常，多个过孔并联会降低有效电阻。就像扁平铜的面积和厚度一样，通孔具有有限的电阻。因此，我们必须优化过孔的数量和尺寸，以优化转换器设计的热性能和效率。

图#2 和#3 代表具有相同设置和布局的两个 PCB。唯一的区别是 IC 散热垫上的通孔数量。

图#2：在散热垫下有 11 个过孔的 PCB

*S2（站点 2）：IC 上集成 FET 的位置

图 #3：在散热垫下有 35 个过孔的 PCB

4.电流回路

我们还需要优化降压转换器中高侧场效应晶体管 (FET) 和低侧 FET 的每个交替工作状态之间的电流回路路径。我们的优化应包括回路的距离和载流能力。正确规划 IC 引出线设计也成为 PCB 布局过程中的一个因素。我们应该尽可能地减少电流回路面积。

随着半导体技术和工艺的不断发展，我们正在将更多的硅封装到同一个封装中，以实现更高额定电流的转换器设计。例如，考虑具有自适应内部补偿和集成 NexFET™ MOSFET 的新型 40A SWIFT™ TPS543C20 同步降压转换器。然而，基本问题仍然是如何优化设计，以便我们不损害热性能和效率。希望这篇文章能帮助我们正确创建更小尺寸的真正 40A 电源设计。