非隔離式開(kāi)關(guān)電源的PCB布局設(shè)計(jì)

　　圖6和圖7（略）提供了一個(gè)同步降壓電路的例子，它強(qiáng)調(diào)了去耦電容的重要性。圖6a是一個(gè)雙相12VIN、2.5VOUT/30A（最大值）的同步降壓電源，使用了LTC3729雙相單VOUT控制器IC.在無(wú)負(fù)載時(shí)，開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)SW1和SW2的波形以及輸出電感電流都是穩(wěn)定的（圖6b）。但如果負(fù)載電流超過(guò)13A,SW1結(jié)點(diǎn)的波形就開(kāi)始丟失周期。負(fù)載電流更高時(shí)，問(wèn)題會(huì)更惡化（圖6c）。

　　在各個(gè)通道的輸入端增加兩只1μF的高頻陶瓷電容，就可以解決這個(gè)問(wèn)題，電容隔離開(kāi)了每個(gè)通道的熱回路面積，并使之最小化。即使在高達(dá)30A的最大負(fù)載電流下，開(kāi)關(guān)波形仍很穩(wěn)定。

　　高DV/DT開(kāi)關(guān)區(qū)

　　圖2和圖4中，在VIN（或VOUT）與地之間的SW電壓擺幅有高的dv/dt速率。這個(gè)結(jié)點(diǎn)上有豐富的高頻噪聲分量，是一個(gè)強(qiáng)大的EMI噪聲源。為了盡量減小開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)與其它噪聲敏感走線之間的耦合電容，你可能會(huì)讓SW銅箔面積盡可能小。但是，為了傳導(dǎo)大的電感電流，并且為功率MOSFET管提供散熱區(qū)，SW結(jié)點(diǎn)的PCB區(qū)域又不能夠太小。一般建議在開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)下布放一個(gè)接地銅箔區(qū)，提供額外的屏蔽。

　　如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有用于表面安裝功率MOSFET與電感的散熱器，則銅箔區(qū)必須有足夠的散熱面積。對(duì)于直流電壓結(jié)點(diǎn)（如輸入/輸出電壓與電源地），合理的方法是讓銅箔區(qū)盡可能大。

　　多過(guò)孔有助于進(jìn)一步降低熱應(yīng)力。要確定高dv/dt開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)的合適銅箔區(qū)面積，就要在盡量減小dv/dt相關(guān)噪聲與提供良好的MOSFET散熱能力兩者間做一個(gè)設(shè)計(jì)平衡。

功率焊盤(pán)形式

　　注意功率元件的焊盤(pán)形式，如低ESR電容、MOSFET、二極管和電感。圖8a（略）和8b（略）分別給出了不合理和合理的功率元件焊盤(pán)形式。

　　對(duì)于去耦電容，正負(fù)極過(guò)孔應(yīng)盡量互相靠近，以減少PCB的ESL.這對(duì)低ESL電容尤其有效。小容值低ESR的電容通常較貴，不正確的焊盤(pán)形式及不良走線都會(huì)降低它們的性能，從而增加整體成本。通常情況下，合理的焊盤(pán)形式能降低PCB噪聲，減小熱阻，并最大限度降低走線阻抗以及大電流元件的壓降。

　　大電流功率元件布局時(shí)有一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)，那就是不正確地采用了熱風(fēng)焊盤(pán)（thermal relief），如圖8a（略）所示。非必要情況下使用熱風(fēng)焊盤(pán)，會(huì)增加功率元件之間的互連阻抗，從而造成較大的功率損耗，降低小ESR電容的去耦效果。如果在布局時(shí)用過(guò)孔來(lái)傳導(dǎo)大電流，要確保它們有充足的數(shù)量，以減少阻抗。此外，不要對(duì)這些過(guò)孔使用熱風(fēng)焊盤(pán)。

　　圖9（略）是有多個(gè)板上電源的應(yīng)用，這些電源共享相同的輸入電壓軌。當(dāng)這些電源互相不同步時(shí)，就需要將輸入電流走線隔離開(kāi)來(lái)，以避免不同電源之間耦合公共阻抗噪聲。每個(gè)電源擁有一個(gè)本地的輸入去耦電容倒是不太關(guān)鍵。

　　對(duì)于一只PolyPhase單輸出轉(zhuǎn)換器，為每個(gè)相做一個(gè)對(duì)稱布局有助于熱應(yīng)力的均衡。

　　布局設(shè)計(jì)實(shí)例

　　圖10（略）是一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，它是一個(gè)3.5V~14V,最大輸出1.2V/40A的雙相同步降壓轉(zhuǎn)換器， 使用了LTC3855 PolyPhase電流模式步進(jìn)降壓控制器。在開(kāi)始PCB布局前，一個(gè)好的習(xí)慣是在邏輯圖上用不同顏色特別標(biāo)示出大電流走線、高噪聲的高dv/dt走線，以及敏感的小信號(hào)走線。這種圖將有助于PCB設(shè)計(jì)者區(qū)分開(kāi)各種走線。

　　圖11（略）是這個(gè)1.2V/40A電源的功率元件層上的功率級(jí)布局例子。圖中，QT是高側(cè)控制MOSFET,QB是低側(cè)同步FET.可選擇增加QB的接地面積，以獲得更多的輸出電流。在功率元件層的下方，放了一個(gè)實(shí)心的電源地層。

　　控制電路布局

　　使控制電路遠(yuǎn)離高噪聲的開(kāi)關(guān)銅箔區(qū)。對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器，控制電路則要靠近VIN+端，讓功率走線承載連續(xù)電流。

　　如果空間允許，控制IC與功率MOSFET及電感（它們都是高噪聲高熱量元件）之間要有小的距離（0.5英寸~1英寸）。如果空間緊張，被迫將控制器置于靠近功率MOSFET與電感的位置，則要特別注意用地層或接地走線，將控制電路與功率元件隔離開(kāi)來(lái)。

　　圖12（略）是LTC3855電源的較好的隔離地方案，IC有外露的GND焊盤(pán)，應(yīng)焊到PCB上，以盡量減少電氣阻抗與熱阻。幾只關(guān)鍵去耦電容應(yīng)緊挨著IC引腳。

　　控制電路應(yīng)有一個(gè)不同于功率級(jí)地的獨(dú)立信號(hào)（模擬）地。如果控制器IC上有獨(dú)立的SGND（信號(hào)地）和PGND（功率地）引腳，則應(yīng)分別布線。對(duì)于集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)器的控制IC,小信號(hào)部分的IC引腳應(yīng)使用SGND.

　　信號(hào)地與功率地之間只需要一個(gè)連接點(diǎn)。合理方法是使信號(hào)地返回到功率地層的一個(gè)干凈點(diǎn)。只在控制器IC下連接兩種接地走線，就可以實(shí)現(xiàn)兩種地。圖12（略）給出了建議的LTC3855電源接地隔離法。在本例中，IC有一個(gè)外露的接地焊盤(pán)。此焊盤(pán)應(yīng)焊到PCB上，以盡量減少電氣阻抗與熱阻。應(yīng)在接地焊盤(pán)區(qū)放置多個(gè)過(guò)孔。

　　控制IC的去耦電容應(yīng)靠近各自的引腳。為盡量減少連接阻抗，好的方法是將去耦電容直接接到引腳上，而不通過(guò)過(guò)孔。如圖12（略）所示，應(yīng)靠近置放去耦電容的LTC3855引腳是電流檢測(cè)引腳Sense+/Sense-,補(bǔ)償引腳ITH,信號(hào)地SGND,反饋分壓器腳FB,IC VCC電壓引腳INTVCC,以及功率地引腳PGND.

　　回路面積與串?dāng)_

　　兩個(gè)或多個(gè)鄰近導(dǎo)體可以產(chǎn)生容性耦合。一個(gè)導(dǎo)體上的高dv/dt會(huì)通過(guò)寄生電容，在另一個(gè)導(dǎo)體上耦合出電流。為減少功率級(jí)對(duì)控制電路的耦合噪聲，高噪聲的開(kāi)關(guān)走線要遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)走線。如果可能的話，要將高噪聲走線與敏感走線布放在不同的層，并用內(nèi)部地層作為噪聲屏蔽。

　　空間允許的話，控制IC要距離功率MOSFET和電感有一個(gè)小的距離（0.5英寸~1英寸），后者既有大噪聲又發(fā)熱。

　　LTC3855控制器上的FET驅(qū)動(dòng)器TG、BG、SW和BOOST引腳都有高的dv/dt開(kāi)關(guān)電壓。連接到最敏感小信號(hào)結(jié)點(diǎn)的LTC3855引腳是：Sense+/Sense-、FB、ITH和SGND.如果布局時(shí)將敏感的信號(hào)走線靠近了高dv/dt結(jié)點(diǎn)，則必須在信號(hào)走線與高dv/dt走線之間插入接地線或接地層，以屏蔽噪聲。

　　在布放柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，采用短而寬的走線有助于盡量減小柵極驅(qū)動(dòng)路徑中的阻抗。在圖13（略）中，布放的高FET驅(qū)動(dòng)器走線TG與SW應(yīng)有最小的回路面積，以盡量減小電感與高dv/dt噪聲。同樣，低FET驅(qū)動(dòng)器走線BG要靠近一根PGND走線。

　　如果在BG走線下布放了一個(gè)PGND層，低FET的交流地返回電流將自動(dòng)耦合到一個(gè)靠近BG走線的路徑中。交流電流會(huì)流向它所發(fā)現(xiàn)的最小回路/阻抗。此時(shí)，低柵極驅(qū)動(dòng)器不需要一個(gè)獨(dú)立的PGND返回走線。最好的辦法是盡量減少柵極驅(qū)動(dòng)走線通過(guò)的層數(shù)量，這樣可防止柵極噪聲傳播到其它層。

　　在所有小信號(hào)走線中，電流檢測(cè)走線對(duì)噪聲最為敏感。電流檢測(cè)信號(hào)的波幅通常小于100mV,這與噪聲的波幅相當(dāng)。以LTC3855為例，Sense+/Sense-走線應(yīng)以最小間距并行布放（Kelvin檢測(cè)），以盡量減少拾取di/dt相關(guān)噪聲的機(jī)會(huì)，如圖14（略）所示。

　　另外，電流檢測(cè)走線的濾波電阻與電容都應(yīng)盡可能靠近IC引腳。當(dāng)有噪聲注入長(zhǎng)的檢測(cè)線時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的濾波效果最好。如果采用帶R/C網(wǎng)絡(luò)的電感DCR電流檢測(cè)方式，則DCR檢測(cè)電阻R應(yīng)靠近電感，而DCR檢測(cè)電容C則應(yīng)靠近IC.

　　如果在走線到Sense-的返回路徑上使用了一個(gè)過(guò)孔，則過(guò)孔不應(yīng)接觸到其它的內(nèi)部VOUT+層。否則，過(guò)孔可能會(huì)傳導(dǎo)大的VOUT+電流，所產(chǎn)生的壓降可能破壞電流檢測(cè)信號(hào)。要避免在高噪聲開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)（TG、BG、SW和BOOST走線）附近布放電流檢測(cè)走線。如可能，在電流檢測(cè)走線所在層與功率級(jí)走線層之間放置地層。

　　如果控制器IC有差分電壓遠(yuǎn)程檢測(cè)引腳，則要為正、負(fù)遠(yuǎn)程檢測(cè)線采用獨(dú)立的走線，同時(shí)也采用Kelvin檢測(cè)連接。

　　走線寬度的選擇

　　對(duì)具體的控制器引腳，電流水平和噪聲敏感度都是唯一的，因此，必須為不同信號(hào)選擇特定的走線寬度。通常情況下，小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)可以窄些，采用10mil~15mil寬度的走線。大電流網(wǎng)絡(luò)（柵極驅(qū)動(dòng)、VCC以及PGND）則應(yīng)采用短而寬的走線。這些網(wǎng)絡(luò)的走線建議至少為20mil寬。