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

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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(jié)點是其關鍵回路和關鍵節(jié)點，使用盡可能小的環(huán)路，短粗布線，優(yōu)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(yōu)缺點。

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

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202108/427808.htm

1 BUCK轉換器關鍵回路和關鍵節(jié)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(tǒng)的關鍵回路和關鍵節(jié)點，什么是電路系統(tǒng)的關鍵回路和關鍵節(jié)點呢？通常，電流變化率di/dt 大的環(huán)路，以及電壓變化率dV/dt 大的節(jié)點，就是關鍵回路和關鍵節(jié)點，在PCB 布局設計時要優(yōu)先考慮和布局。BUCK 轉換器上管開通及關斷時，各環(huán)路的電流及波形如圖1 所示。

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(fā)現(xiàn)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(huán)路，包括輸入地，是強磁場發(fā)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(wěn)定的電壓。在上管開通和關斷的過程中，開關節(jié)點SW 的電壓產生非常大的電壓變化率dV/dt，是強電場發(fā)射的干擾源。^[1-5]

2 BUCK轉換器PCB基本設計和布局要求

根據(jù)BUCK 轉換器的工作原理、各個回路的電流特性及開關節(jié)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(huán)路寄生電感和磁場干擾。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，磁場干擾不大，但是，由于輸出電流通常比較大，盡可能減小環(huán)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(tǒng)效率。在一定的程度上，也可以減小磁場干擾。

3）開關節(jié)點SW 的面積要盡可能小，從而減小節(jié)點的空間寄生電容和電場發(fā)射及干擾。但是，這個節(jié)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(fā)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(jié)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(wǎng)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(shù)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(huán)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2 所示。

8）電源系統(tǒng)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

表2 6層板的分配

3 BUCK轉換器分立方案PCB布局設計

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(qū)；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(huán)路及輸入地比圖3（b）要小很多，因此，圖3（a）布局更優(yōu)化。圖3（c）的布局中，C_in 距離較遠，輸入環(huán)路及輸入地比較大，但是這種布局適合多管并聯(lián)，可以通過在PCB背面加高頻濾波電容，減小BUCK電路的電流環(huán)路。

（a）垂直排列分立器件優(yōu)化布局

（b）垂直排列分立器件較差布局

（c）水平排列分立器頂層布局

（d）高頻電容

（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PCB布局設計

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(shù)據(jù)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(qū)；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

（d）布局2電流路徑

（e）下部有銅皮布局

圖4 SOT23幾種PCB布局

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(fā)現(xiàn)如下規(guī)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(qū)域）、小信號地（IC 的GND 管腳右邊區(qū)域）也做到嚴格分區(qū)，優(yōu)點是：開關節(jié)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(qū)域PGND）、小信號地（IC 的GND管腳右邊區(qū)域SGND）嚴格分區(qū)，如圖4（d）所示，缺點是：開關節(jié)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(qū)，開關節(jié)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。