BUCK轉換器的PCB布局設計
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.htm1 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,Cin 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。
(a)布局1
(b)布局2
(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(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。
2)優(yōu)化的PCB 布局需要將功率地和信號地進行有效分區(qū),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(shù)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(tǒng)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(huán)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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