热环路 PCB ESR 和 ESL 与去耦电容器位置的关系

    LTM4638 是一款集成的 20 V IN、15 A 降压转换器模块，采用微型 6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm BGA 封装。它具有高功率密度、快速瞬态响应和高效率。该模块内部集成了一个小型高频陶瓷C IN，但受模块封装尺寸的限制，还不够。图 2 至图 4 显示了带有附加外部 C IN的演示板上的三种不同热环路。个是垂直热环路 1（图 2），其中 C IN1位于 μModule 调节器正下方的底层。

    图 2. 垂直热环路 1：(a) 顶视图和 (b) 侧视图。
    Module V IN和 GND BGA 引脚通过过孔直接连接到 C IN1 。这些连接提供了演示板上短的热环路路径。第二个热环路是垂直热环路 2（图 3），其中 C IN2仍然放置在底层，但移至 μModule 稳压器的侧面区域。

    图 3. 垂直热环路 2：(a) 俯视图和 (b) 侧视图。
    因此，额外的 PCB 走线被添加到热环路中，并且与垂直热环路 1 相比，预计会有更大的 ESL 和 ESR。第三个热环路选项是水平热环路（图 4），其中 C IN3放置在顶层靠近μModule调节器。
     图 4. 水平热环路：(a) 顶视图和 (b) 侧视图。
   Module V IN和 GND 引脚通过顶层铜连接到 C IN3 ，无需通过过孔。然而，顶层的 V IN 铜线宽度受到其他引脚排列的限制，导致环路阻抗比垂直热环路 1 有所增加。表 1 比较了 FastHenry 提取的热环路 PCB ESR 和ESL 。正如预期的那样，垂直热环 1 具有的 PCB ESR 和 ESL。

    表 1. 使用 FastHenry 提取不同热循环中的 PCB ESR 和 ESL

       为了通过实验验证不同热环路中的 ESR 和 ESL，我们测试了演示板在 12 V 至 1 V CCM 操作下的效率和 V IN AC 纹波。理论上，较低的 ESR 会带来较高的效率，较小的 ESL 会导致较高的 V SW振铃频率和较低的 V IN纹波幅度。图 5a 显示了测量的效率。垂直热环路 1 具有的效率，对应于的 ESR。水平热环路和垂直热环路1之间的损耗差异也是根据提取的ESR计算出来的，这与图5b所示的测试结果一致。图 5c 中的V IN HF 纹波波形是通过 C IN进行测试的。
       图 5. 演示板测试结果：(a) 效率，(b) 水平环路和垂直环路 1 之间的损耗差异，以及 (c) 在 15 A 输出下 M1 开启期间的 VIN 纹波。
    水平热环路具有更高的 V IN纹波幅度和更低的振铃频率，因此与垂直热环路 1 相比，验证了更高的环路 ESL。此外，由于环路 ESR 更高，水平热环路中的 V IN 纹波会衰减比垂直热环路 1 更快。此外，较低的 V IN纹波可降低 EMI，并允许使用更小的 EMI 滤波器尺寸。