電源與功率電路基板導線設計

a.面封裝型線性調整器的散熱圖案
    接著介紹輸出電流1.0A 低飽和型線性調整器(linear regulator)散熱圖案設計技巧。三端子調整器構成組件非常少因此廣被使用，圖1 是由面封裝型線性調整器NCP1117構成的降壓電路；圖2 是降壓電路基板圖案。
 
圖1 線性調節器構成的降壓電路                                   圖2 降壓電路基板圖案
    旁通電容器(bypass condenser) C1、C3 封裝在半導體的輸出入端子附近，NCP1117為面封裝型半導體，使用電路基板圖案作散熱。圖3 是NCP1117 的散熱pattern 大小與容許電力－熱阻抗的關係，例如輸入8V，輸出5V，輸出電流400mA 時，半導體的損失利用輸出、入的電壓差(8V-5V=3V)，乘上輸出電流后等於3V×0.4A=1.2W，根據圖3 可知NCP1117 需要7mm正方以上的散熱pad。直接與散熱pad連接時，如果輸出平滑電解電容C4的電路基板圖案太寬時，熱量會經由圖案傳導至電容器造成電解電容溫度上升，所以散熱pad 與C4的基板圖案必需案配合輸出電流，盡量降低導線圖案的寬度。
 
圖3 NCP1117的散熱pattern大小與容許電力－熱阻抗的關係
    同步整流step down converter BIC221C與控制電路，以及MOSFET驅動電路三者同時封裝成一體，本電路的動作頻率為300kHz，輸入5V，輸出2.5V/3A。圖4(a)是step down converter電路圖；圖4(b)是BIC221C的內部方塊圖；圖5(a)是電路基板組件面圖案。如圖4(b)所示，BIC221C內部方塊圖所示第4,6號腳架的GND，與第8 號腳架的P.GND1、第16 號腳架的P.GND2明確分隔，如果按照圖4(a)電路圖指示，直接描繪含蓋上述腳架配線圖案的話，可能會造成誤動作與噪訊增加等後果，因此設計電路基板圖案時，必需將第8號腳架的P.GND1、第16 號腳架的P,GND2 分開，避免第4,6 號腳架GND 大電流流動。具體方法如圖5 所示，GND 的第4,6 號腳架在組件面連接，P.GND1 的第8 號腳架再與焊接面連接，大電流從C5 通過P.GND2 的第16 號腳架，再從Vout(11,12,13,14pin)通過L1 流入C5，P.GND1的第8號腳架從C1設置slit作連接，因此連接與第4,6 號腳架的GND 的圖案不會有大電流流動。
 
(a) 電路圖
 
(b) BIC221C的內部方塊圖
圖4 同步整流式step down converter BIC221C構成的step down converter
 
(a) 組件面
 
(b)焊接圖
圖5 2.5V/3.3A輸出的DC-DC converter 電路基板圖案

b. 光學耦合器構成的gate驅動電路基板圖案
    為避免控制電路遭受破壞，因此圖6 將光學耦合器TLP351 與二極體構成的控制電路，以及功率MOSFET分離。
 
圖6 photo coupler 構成的gate驅動電路
    圖7 gate驅動電路的基板圖案，光學耦合器的光學二極體單元屬於電流驅動，光學晶體管與功率MOSFET 等gate 驅動單元則是電壓驅動，所以光學耦合器封裝在功率MOSFET 附近，此時必需避免光學二極體的正、負極的平行導線Ⓐ部位面積變大。
 
圖7 gate驅動電路的基板圖案

c. 專用IC構成的gate驅動電路基板圖案
    IR2011 8pin驅動IC內嵌high side與low side的gate驅動電路，屬於D 級audio增幅器與DC-DC converter 的gate驅動器。圖8是專用IC的構成的gate驅動器電路；圖9 是驅動電路的基板圖案。
    雖然設計上要求gate驅動IC盡量靠近功率MOSFET設置，遠離功率MOSFET設置的場合，為避免high side的source電位波動，造成IC1 第4 腳架V5 的負電位波動，所以需將二極體D2設在gate驅動IC附近。此外為防止Tr1、Tr2誤動作，因此source與gate的導線盡量鄰接，此外控制信號的輸入圖案與COM圖案兩者必需平行設置。
 
圖8 專用IC的構成的gate驅動電路
 
圖9 專用IC的構成的gate驅動電路的基板圖案