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          BUCK轉換器的PCB布局設計

          作者:王巧娣1,劉 松2(1.意法半導體(中國)投資有限公司,上海 200241;2.萬國半導體元件(深圳)有限公司,上海 200070)時間:2021-08-26來源:電子產品世界收藏
          編者按:討論了BUCK轉換器的開通回路、關斷回路的電流特性,具有高電流變化率di/dt的輸入回路,以及具有高的電壓變化率dV/dt的開關節點是其關鍵回路和關鍵 節點,使用盡可能小的環路,短粗布線,優先對其進行PCB布局。給出了多層板的信號分配原則,也給出了分立和集成的BUCK轉換器的PCB布局技巧和一些實例,分析了它們的優缺點。

          作者簡介:劉松,男,湖北武漢人,碩士,應用中心總監,主要從事開關電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開發工作。獲廣東省科技進步二等獎一項,發表技術論文60多篇。E-mail:songliu@aosmd.com。

          本文引用地址:http://www.ctn26.com/article/202108/427808.htm

          1   BUCK轉換器關鍵回路和關鍵節點

          不管是什么類型的高頻開關電源轉換器,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,什么是電路系統的關鍵回路和關鍵節點呢?通常,電流變化率di/dt 大的環路,以及電壓變化率dV/dt 大的節點,就是關鍵回路和關鍵節點,在PCB 布局設計時要優先考慮和布局。BUCK 轉換器上管開通及關斷時,各環路的電流及波形如圖1 所示。

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          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 源極到輸出電容的地稱為輸出地,可以發現如下特點。

          1)L1 回路的電流,包括輸入地,都是高頻脈沖的電流波形,電流波形的前沿和后沿具有非常大的電流變化率di/dt。

          2)L2 回路的電流,包括輸出地,相當于在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di/dt。

          因此,具有非常大的電流變化率di/dt 的輸入回路也就是L1 環路,包括輸入地,是強磁場發射的干擾源。如果查看電壓波形,輸入電壓、輸出電壓及地回路都是穩定的電壓。在上管開通和關斷的過程中,開關節點SW 的電壓產生非常大的電壓變化率dV/dt,是強電場發射的干擾源。[1-5]

          2   BUCK轉換器PCB基本設計和布局要求

          根據BUCK 轉換器的工作原理、各個回路的電流特性及開關節點的電壓特性很容易得到BUCK 轉換器PCB 布局的基本原則,如下所示。

          1)輸入回路L1,包括輸入地,回路要盡可能短,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粗,從而減小環路寄生電感和。必要時,在上管的漏極D 和下管的源極S 之間最近的距離放置1 個小尺寸去耦陶瓷電容。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,也有利于散熱。

          2)輸出回路L2,包括輸出地,不大,但是,由于輸出電流通常比較大,盡可能減小環路面積,布線盡可能粗厚,就可以減小雜散電阻,減小其導通損耗,也有利于散熱,可以提高系統效率。在一定的程度上,也可以減小。

          3)開關節點SW 的面積要盡可能小,從而減小節點的空間寄生電容和電場發射及干擾。但是,這個節點要鋪設銅皮,加強功率 的散熱,因此,要在散熱和EMI(電場發射及干擾)的設計之間取得平衡,必要時,需要加RC 吸收電路,減小電壓變化率。其他的注意事項如下。

          4)所有的反饋信號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??刂艻C 或轉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)連接方式,電流取樣信號的RC 濾波網絡要盡可能靠近IC 管腳。

          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,以加強散熱。

          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 的柵極Gate 驅動環路要盡可能短,并使用平行走線。功率 的源極D 和漏極S,盡可能用銅皮布線,如圖2 所示。

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          8)電源系統為2 層板,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 板可以采用表1和表2 的方案。

          表1 4層板的分配

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          表2 6層板的分配

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          3   BUCK轉換器分立方案設計

          上管、下管采用分立功率MOSFET,上管、下管常用的排布有2 種布局:

          1)上管、下管呈90°,如圖3(a)所示;

          2)上管、下管呈水平排列,如圖3(c)所示。

          基本原則是: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,同時,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。圖3 中的2 種布局,圖3(a)的輸入環路及輸入地比圖3(b)要小很多,因此,圖3(a)布局更優化。圖3(c)的布局中,Cin 距離較遠,輸入環路及輸入地比較大,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。

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          (a)垂直排列分立器件優化布局

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          (b)垂直排列分立器件較差布局

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          (c)水平排列分立器頂層布局

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          (d)高頻電容

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          (e)水平排列分立器件高頻去耦電容放置背面底層

          圖3 水平排列和垂直排列分立器件BUCK布局

          4   BUCK轉換器集成方案設計

          集成方案是指集成上管和下管的BUCK 轉換器IC,下面這些設計來源于一些廠家器件數據表推薦和客戶實際應用的布局?;驹瓌t是: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,同時,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。

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          (a)布局1

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          (b)布局2

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          (c)布局3

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          (d)布局2電流路徑

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          (e)下部有銅皮布局

          圖4 SOT23幾種

          按圖3 的分析方法,分別畫出圖4 中上管開通、關斷的電流路徑,可以發現如下規律。

          1)圖4(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4(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4(d)所示,缺點是:開關節點SW 要通過過孔連接到電感。

          3)圖4(c)中,IC 右邊管腳附近元件是連接到BOOT 管腳的1 個電阻和1 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2 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4(e)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,有利于傳導熱量。圖5 列出了SO8 封裝的幾種PCB 設計布局。

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          (a)布局1

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          (b)布局2

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          (c)布局3

          圖5 下部有銅皮SO8幾種PCB布局

          5   結束語

          1)BUCK 轉換器具有高電流變化率di/dt 的輸入回路,同時具有高電壓變化率dV/dt 的開關節點,是其關鍵回路和關鍵 節點,使用盡可能小的環路短粗布線。

          2)優化的PCB 布局需要將功率地和信號地進行有效分區,減小干擾。多層板靠近功率元件層(頂層或底層)的第2 層或倒數第2 層,布設為整片地層,提供屏蔽和加強散熱。

          3)器件底部有電氣特性為地的銅皮,可以通過多個過孔連接到底層或內層地平面,加強散熱。

          參考文獻:

          [1] 劉松.EMI及無Y電容手機充電器的設計[J].電子設計應用,2007(9):112-115.

          [2] 劉松.汽車電子系統降壓型BUCK變換器的設計技巧[J].電子設計應用,2007(5):111-114.

          [3] 劉松.基于四管同步升降壓變換器汽車適配器設計[J].電力電子技術,2007,47(7):36-38.

          [4] 劉松,丁宇,高麗,等.電感極性對BUCK變換器反饋環移定性影響[J].電焊機,2018,48(12):34-37.

          [5] 劉松,孫國營.快充次級同步整流MOSFET對EMI輻射干擾的影響[J].今日電子,2017(8):32-33.

          (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期)



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