作者：Alan Yang
关键词: 电源管理, 电路设计, 方案
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℃
Digi-Key提供的设计资源
为了帮助开发者顺利地完成POL的应用设计，Digi-Key可以提供丰富的设计资源。
在Digi-Key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，Digi-Key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。
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