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如何做好非隔離式開關電源的PCB布局

作者: 時間:2012-12-16 來源:網絡 收藏
此外,不要對這些過孔使用熱風焊盤。

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

  對于一只PolyPhase單輸出轉換器,為每個相做一個對稱布局有助于熱應力的均衡。

  布局設計實例

  圖10(略)是一個設計實例,它是一個3.5V~14V,最大輸出1.2V/40A的雙相同步降壓轉換器, 使用了LTC3855 PolyPhase電流模式步進降壓控制器。在開始前,一個好的習慣是在邏輯圖上用不同顏色特別標示出大電流走線、高噪聲的高dv/dt走線,以及敏感的小信號走線。這種圖將有助于PCB設計者區(qū)分開各種走線。

  圖11(略)是這個1.2V/40A電源的功率元件層上的功率級布局例子。圖中,QT是高側控制MOSFET,QB是低側同步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,放了一個實心的電源地層。

  控制電路布局

  使控制電路遠離高噪聲的開關銅箔區(qū)。對降壓轉換器,好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端,而對升壓轉換器,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來。

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

  控制電路應有一個不同于功率級地的獨立信號(模擬)地。如果控制器IC上有獨立的SGND(信號地)和PGND(功率地)引腳,則應分別布線。對于集成了MOSFET驅動器的控制IC,小信號部分的IC引腳應使用SGND.

  信號地與功率地之間只需要一個連接點。合理方法是使信號地返回到功率地層的一個干凈點。只在控制器IC下連接兩種接地走線,就可以實現(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有一個外露的接地焊盤。此焊盤應焊到PCB上,以盡量減少電氣阻抗與熱阻。應在接地焊盤區(qū)放置多個過孔。

  控制IC的去耦電容應靠近各自的引腳。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,而不通過過孔。如圖12(略)所示,應靠近置放去耦電容的LTC3855引腳是電流檢測引腳Sense+/Sense-,補償引腳ITH,信號地SGND,反饋分壓器腳FB,IC VCC電壓引腳INTVCC,以及功率地引腳PGND.

  回路面積與串擾

  兩個或多個鄰近導體可以產生容性耦合。一個導體上的高dv/dt會通過寄生電容,在另一個導體上耦合出電流。為減少功率級對控制電路的耦合噪聲,高噪聲的開關走線要遠離敏感的小信號走線。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驅動器TG、BG、SW和BOOST引腳都有高的dv/dt開關電壓。連接到最敏感小信號結點的LTC3855引腳是:Sense+/Sense-、FB、ITH和SGND.如果布局時將敏感的信號走線靠近了高dv/dt結點,則必須在信號走線與高dv/dt走線之間插入接地線或接地層,以屏蔽噪聲。

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

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

  在所有小信號走線中,電流檢測走線對噪聲最為敏感。電流檢測信號的波幅通常小于100mV,這與噪聲的波幅相當。以LTC3855為例,Sense+/Sense-走線應以最小間距并行布放(Kelvin檢測),以盡量減少拾取di/dt相關噪聲的機會,如圖14(略)所示。

  另外,電流檢測走線的濾波電阻與電容都應盡可能靠近IC引腳。當有噪聲注入長的檢測線時,這種結構的濾波效果最好。如果采用帶R/C網絡的電感DCR電流檢測方式,則DCR檢測電阻R應靠近電感,而DCR檢測電容C則應靠近IC.

  如果在走線到Sense-的返回路徑上使用了一個過孔,則過孔不應接觸到其它的內部VOUT+層。否則,過孔可能會傳導大的VOUT+電流,所產生的壓降可能破壞電流檢測信號。要避免在高噪聲開關結點(TG、BG、SW和BOOST走線)附近布放電流檢測走線。如可能,在電流檢測走線所在層與功率級走線層之間放置地層。

  如果控制器IC有差分電壓遠程檢測引腳,則要為正、負遠程檢測線采用獨立的走線,同時也采用Kelvin檢測連接。

  走線寬度的選擇

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


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