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最新消息| 干貨|BUCK變換器的PCB布局及設計 | 2022-08-02 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.eet-china.com/mp/a150208.html" 1、BUCK變換器關鍵回路和關鍵節點不管是什麼類型的變換器，PCB布局設計的關鍵就是要找到電路系統的關鍵回路和關鍵節點，那么什麼是電路系統的關鍵回路和關鍵節點？通常，電流變化率didt大的環路以及電壓變化率dVdt大的節點，就是關鍵回路和關鍵節點，在PCB布局設計的時候，要優先考慮和布局。?BUCK變換器上管開通以及關斷時，各環路的電流及波形如圖1所示。（a）上管開通的電流回路?（b）上管關斷的電流回路（c）L1和L2環路的電流波形（d）開關節點SW工作電壓?（e）BUCK的工作電流環路圖1：BUCK的工作電流環路及波形?如果把L1稱為輸入回路，L2稱為輸出回路；下管的S源極到輸入電容的地，稱為輸入地，下管的S源極到輸出入電容的地，稱為輸出地，可以發現：（1）L1回路的電流、包括輸入地，都是脈沖的電流波形，電流波形的前沿和后沿，具有非常大的電流變化率didt。（2）L2回路的電流、包括輸出地，相當于直流電流上面，疊加了峰峰值比較小的交流三角波，電流波形的前沿和后沿，具有較小的電流變化率didt。因此，具有非常大的電流變化率didt的輸入回路，也就是L1回路，包括輸入地，是強磁場發射的干擾源。?如果查看電壓的波形，輸入電壓、輸出電壓及地回路，都是穩定的電壓，而開關節點SW的電壓，在上管開通和關斷的過程中，產生非常大的電壓變化率dVdt，是強電場發射的干擾源。?2、BUCK變換器PCB基本的設計和布局要求根據BUCK變換器的工作原理、各個回路的電流特性以及開關節點的電壓特性，就很容易的得到BUCK變換器PCB布局的基本原則：（1）輸入回路L1，包括輸入地，回路要盡可能的短，也就是輸入電容CIN的正端盡可能靠近上管的漏極D、輸入電容CIN的地端盡可能靠近下管的源極S，回路的布線要盡可能的粗，從而減小環路的寄生電感，減小磁場干擾。必要的時候，在上管的漏極D和下管的源極S之間最近的距離，放置一個小尺寸的去耦陶瓷電容。輸入回路盡可能短、布線粗，可以減小雜散電阻，減小其導通損耗，有利于散熱。（2）輸出回路L2，包括輸出地，磁場干擾不大，但是，輸出電流通常比較大，要盡可能減小環路，布線盡可能的粗，減小雜散電阻，減小其導通損耗，也有利于散熱，可以提高系統的效率。在一定的程度上，也可以減小磁場干擾。（3）開關節點SW的面積要盡可能的小，從而減小節點的寄生電容，減小電場干擾。但是，這個節點要鋪設銅皮，加強功率MOSFET的散熱，因此，要在散熱和EMI(電場發射干擾)的設計之間取得平衡，必要的時候，需要加吸收電路，減小電壓變化率。其他的注意事項還有：（4）所有的反饋信號以及模擬小信號，要遠離上面干擾大的回路和節點，并盡可能用較細的布線。控制IC或變換器的下面不要流過開關電流。電流取樣信號要采用開爾文Kevin的連接方式，電流取樣信號的RC濾波網絡，要盡可能靠近IC的管腳。圖2：電流取樣信號（5）輸入和輸出電容的地，通過多個過孔連接到底層或內層的地平面，如果器件底部有電氣特性為地的銅皮，也可以通過多個過孔連接到底層或內層的地平面，加強散熱。（6）DC電源和DC地，相當于交流地，可以屏蔽干擾信號，因此盡可能不要做分割。如果分割不可避免，盡可能減小信號線的數量和長度，小信號盡可能和大信號平面用交流地進行隔離。（7）功率MOSFET的柵極Gate驅動環路要盡可能短，并使用平行走線。功率MOSFET的源極D和漏極S，盡可能用銅皮布線，如圖3所示。(a)好的布線(b)不好布線?圖3：功率MOSFET的布線（8）2層板的電源系統，頂層為元件和功率回路層，底層為小信號和地平面層。4層或6層板，可以采用下面的方案。表1：4層板各層分配表2：6層板各層分配3、BUCK變換器PCB設計布局實例3.1分立方案上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有二種布局：（1）上管、下管一個水平，一個垂直，成90度，如圖4示；（2）上管、下管水平排列，如圖5所示。基本的原則是：先布局主功率回路，特別是輸入電容、功率MOSFET回路，然后布局電感和輸出電容回路，考慮功率地、小信號地的分區；最后，在小信號地一側，布局相關的信號線。(a)優化布局?(b)較差布局圖4：垂直排列分立器件BUCK布局?圖4中的二種布局，圖4（a）的輸入環路以及輸入地，比圖4（b）要小很多，因此，圖4（a）布局更優化。(a)頂層布局(b)高頻電容(c)高頻電容放置背面底層圖5：水平排列分立器件BUCK布局圖5的布局中，Cin距離較遠，輸入環路以及輸入地比較大，但是這種布局適合多管并聯，可以通過在PCB背面加高頻濾波電容，減小BUCK電路的電流環路。3.2?集成方案集成方案是指集成上管和下管的BUCK變換器IC，下面這些設計來源于一些廠家器件數據表推薦的布局，以及一些客戶工程師實際的設計。基本的原則和上面相同：先布局主功率回路，特別是輸入電容、IC的地回路，然后布局輸出電容，考慮功率地、小信號地的分區；最后，在小信號地一側，布局相關的信號線。?(a)布局1?(b)布局2(c)布局3圖6：SOT23幾種PCB布局按圖4的分析方法，分別畫出圖6中上管開通、關斷的電流路徑，可以發現：（1）圖6(a)的電流路徑要穿過IC底部，回到下面輸入電容的地，電流路徑較長，功率地（IC的GND管腳左上角區域）、小信號地（IC的GND管腳右邊區域）也做到嚴格分區，優點是：開關節點SW在頂層直接連接到電感。（2）圖6(b)的電流路徑最短，功率地（IC的GND管腳左上角區域PGND）、小信號地（IC的GND管腳右邊區域SGND）嚴格分區，如圖7所示，缺點是：開關節點SW要通過過孔，連接到電感。圖7：SOT23布局2電流路徑（3）圖6(c)中，IC右邊管腳附近元件、連接到BOOT管腳的一個電阻和一個電容，讓輸出電容的地，不能直接回到IC的GND管腳，輸出電容的地和IC的GND管腳的連接有二個回路：一個是通過IC底部的過孔、輸出電容的地附近過孔，和底層的地平面，形成連接回路；另一個是輸出電容的地，通過頂層銅皮，從IC下方繞回到IC的GND管腳以及輸入電容的地。這種布局設計電流路徑最長，功率地、小信號地沒有分區，開關節點SW要通過過孔，連接到電感，因此，布局設計比較差。?SOT23器件底部有電氣特性為地的銅皮，在PCB對應的焊盤上，可以布設多個過孔，連接到底層或內層的地平面，加強散熱，如圖8所示，在許可的條件下，盡可能多布設過孔，過孔直徑要選擇合適，保證焊接后，既不漏錫，錫也要填滿過孔。?圖8：下部有銅皮SOT23PCB布局圖9列出了SO8封裝的幾種PCB設計布局，有興趣的可以按照上面的方法，分析一下它們的優缺點。?(a)布局1?(b)布局2(c)布局3圖9：下部有銅皮SO8幾種PCB布局推薦閱讀干貨｜通俗易懂講解PID干貨｜如何選擇合適的電源芯片，你會了嗎？干貨｜退耦電容為什麼通常選擇100nF，而不是其他電容值？干貨｜理解IGBT的連續集電極電流IC添加微信回復“進群”拉你進技術交流群！國產芯|汽車電子|物聯網|新能源|電源|工業|嵌入式…..在公眾號內回復您想搜索的任意內容，如問題關鍵字、技術名詞、bug代碼等，就能輕松獲得與之相關的專業技術內容反饋。快去試試吧！如果您想經常看到我們的文章，可以進入我們的主頁，點擊屏幕右上角「三個小點」，點擊「設為星標」。歡迎掃碼關注 關鍵字標籤：專業SMT代工 |
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