1、Kritische Schleife und kritische Knoten der BUCK-Konvertierung

Unabhängig von der Art des Wandlers liegt der Schlüssel beim PCB-Layoutdesign darin, die Schlüsselschaltkreise und Schlüsselknoten des Schaltungssystems zu finden. Was sind also die Schlüsselschaltkreise und Schlüsselknoten des Schaltkreissystems? Im Allgemeinen sind die Schleife mit großer Stromänderungsrate di/dt und der Knoten mit großer Spannungsänderungsrate dV/dt die wichtigsten Schleifen und Schlüsselknoten, denen beim PCB-Layout-Design Priorität eingeräumt werden sollte.

Wenn das obere Rohr des BUCK-Wandlers ein- und ausgeschaltet wird, werden der Strom und die Wellenform jeder Schleife in Abbildung 1 dargestellt.

(a)上管开通的电流回路

(b)上管关断的电流回路

（c）L1和L2环路的电流波形

(d)开关节点SW工作电压

（e）BUCK的工作电流环路

图1: BUCK ist eine der beliebtesten Persönlichkeiten der Welt

Wenn L1 als Eingabeschleife bezeichnet wird, wird L2 als Ausgabeschleife bezeichnet. Die S-Quelle der unteren Röhre zur Masse des Eingangskondensators wird als Eingangsmasse bezeichnet, und die S-Quelle der unteren Röhre zur Masse des Eingangs- und Ausgangskondensators wird als Ausgangsmasse bezeichnet. Es lässt sich Folgendes feststellen:(1) Der Strom in

1)L1-Schleife, einschließlich der Eingangsmasse, ist eine Impulsstromwellenform. Die Vorderflanke und die Hinterflanke der Stromwellenform weisen eine sehr große Stromänderungsrate di/dt auf.(2) Der Strom von

2) Die L2-Schaltung, einschließlich der Ausgangsmasse, entspricht dem Gleichstrom, und die alternierende Dreieckswelle mit kleinerem Spitze-zu-Spitze-Wert ist überlagert. Die Vorderflanke und die Hinterflanke der Stromwellenform weisen eine kleinere Stromänderungsrate di/dt auf.

Daher ist die Eingangsschleife mit einer sehr großen Stromänderungsrate di/dt, also die L1-Schleife, einschließlich der Eingangsmasse, die Störquelle für die Emission starker Magnetfelder.

Betrachtet man die Spannungswellenform, sind die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und der Erdungskreis allesamt stabile Spannungen, während die Spannung des Schaltknotens SW während des Öffnungsvorgangs des oberen Rohrs eine sehr große Spannungsänderungsrate dV/dt erzeugt und Schließen, das die Störquelle für die Emission starker elektrischer Felder darstellt.

2. Grundlegende Design- und Layoutanforderungen der BUCK-Konverter-Leiterplatte

Entsprechend dem Funktionsprinzip des BUCK-Wandlers, den Stromeigenschaften jeder Schleife und den Spannungseigenschaften der Schaltknoten sind die Grundprinzipien des PCB-Layouts des BUCK-Wandlers leicht zu erlernen:

(1) Die Eingangsschleife L1, einschließlich der Eingangsmasse, sollte so kurz wie möglich sein, das heißt, der positive Anschluss des Eingangskondensators CIN sollte so nah wie möglich am Drain D des oberen Rohrs und am Erdungsanschluss liegen des Eingangskondensators CIN sollte so nah wie möglich an der Quelle S der unteren Röhre liegen. Die Verdrahtung der Schleife sollte möglichst dick sein, um die parasitäre Induktivität der Schleife und die Magnetfeldinterferenzen zu reduzieren.Platzieren Sie bei Bedarf einen kleinen Entkopplungskeramikkondensator im nächstgelegenen Abstand zwischen Drain D des oberen Rohrs und Source S des unteren Rohrs.Der Eingangskreis ist so kurz wie möglich und die Verkabelung dick, wodurch Streuwiderstand und Leitungsverlust reduziert werden können, was sich positiv auf die Wärmeableitung auswirkt.

(2) Die Ausgangsschleife L2, einschließlich der Ausgangsmasse, weist nur geringe Magnetfeldstörungen auf, der Ausgangsstrom ist jedoch normalerweise relativ groß. Es ist notwendig, die Schleife so weit wie möglich zu reduzieren und die Verkabelung so dick wie möglich zu machen, um Streuwiderstand und Leitungsverluste zu reduzieren, was auch der Wärmeableitung zuträglich ist und die Effizienz des Systems verbessert. Bis zu einem gewissen Grad können auch die Magnetfeldstörungen reduziert werden.

(3) Die Fläche des Schaltknotens SW sollte so klein wie möglich sein, um die parasitäre Kapazität des Knotens und die Störung des elektrischen Feldes zu reduzieren. Dieser Knoten sollte jedoch mit einer Kupferhaut versehen werden, um die Wärmeableitung des Leistungs-MOSFET zu verbessern. Daher ist es notwendig, ein Gleichgewicht zwischen Wärmeableitung und EMI-Design (Electric Field Emission Interference) zu finden. Bei Bedarf sollte eine Absorptionsschaltung hinzugefügt werden, um die Spannungsänderungsrate zu reduzieren.

Weitere Überlegungen sind:

(4) Alle Rückkopplungssignale und analogen Kleinsignale sollten von den oben genannten Schaltkreisen und Knoten mit großen Störungen ferngehalten werden, und es sollten möglichst dünnere Leitungen verwendet werden. Lassen Sie keinen Schaltstrom unter dem Steuer-IC oder dem Konverter fließen. Das aktuelle Abtastsignal sollte in Kevin angeschlossen sein und das RC-Filternetzwerk des aktuellen Abtastsignals sollte so nah wie möglich an den Pins des IC liegen.

图2:电流取样信号

(5) Die Erdung der Eingangs- und Ausgangskondensatoren ist über mehrere Durchkontaktierungen mit der Erdungsebene der unteren oder inneren Schicht verbunden. Wenn die Unterseite des Geräts über eine Kupferschicht mit elektrischen Erdungseigenschaften verfügt, kann sie auch über mehrere Durchkontaktierungen mit der Erdungsebene der Unterseite oder Innenschicht verbunden werden, um die Wärmeableitung zu verbessern.

(6)Gleichstromversorgung und Gleichstromerde, äquivalent zur Wechselstromerde, können Störsignale abschirmen, also teilen Sie sie nicht so weit wie möglich auf. Wenn eine Segmentierung unvermeidlich ist, reduzieren Sie die Anzahl und Länge der Signalleitungen so weit wie möglich und isolieren Sie kleine Signale so weit wie möglich durch Wechselstrom von großen Signalebenen.

(7) Die Gate-Treiberschleife des Leistungs-MOSFET sollte so kurz wie möglich sein und eine parallele Verdrahtung verwendet werden. Die Source D und der Drain S des MOSFET sind, wie in Abbildung 3 gezeigt, soweit wie möglich mit Kupfer verdrahtet.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Nummer 3: MOSFET-Modul

(8) Das Stromversorgungssystem besteht aus einer 2-Lagen-Platine, die obere Lage ist die Komponenten- und Stromschleifenlage und die untere Lage ist die Kleinsignal- und Masseebenenlage. 4-lagige oder 6-lagige Platine, das folgende Schema kann übernommen werden.

Tabelle 1:4 MonateJederSchichtVerteilung

Tabelle 2:6 MonateJederSchichtVerteilung

3. Beispiel für das PCB-Designlayout eines BUCK-Konverters

3.1Diskretes Schema

Die oberen und unteren Rohre verwenden diskrete Leistungs-MOSFETs und es gibt zwei gängige Layouts für die oberen und unteren Rohre:

(1) Das obere Rohr und das untere Rohr sind horizontal und vertikal im 90-Grad-Winkel, wie in Abbildung 4 dargestellt;

(2) Das obere Rohr und das untere Rohr sind horizontal angeordnet, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Das Grundprinzip lautet: Legen Sie zuerst den Hauptstromkreis an, insbesondere den Eingangskondensator und den Leistungs-MOSFET-Schaltkreis, und legen Sie dann den Induktor- und Ausgangskondensator-Schaltkreis an, wobei Sie die Aufteilung der Strommasse und der Masse des Kleinsignals berücksichtigen. Abschließend legen Sie auf der Kleinsignal-Masseseite die entsprechenden Signalleitungen aus.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

图4: 垂直排列分立器件BUCK布局

Die beiden Layouts in Abb. 4, die Eingangsschleife und die Eingangsmasse in Abb. 4(a) sind viel kleiner als die in Abb. 4(a). 4(b), also das Layout in Abb. XNUMX(a) ist optimierter.

(a) 顶层布局

(b) 高频电容

(c) 高频电容放置背面底层

图5: 水平排列分立器件BUCK布局

Im Layout von Abbildung 5 ist Cin weit entfernt und die Eingangsschleife und die Eingangsmasse sind relativ groß. Dieses Layout eignet sich jedoch für die Parallelschaltung mehrerer Röhren, und die Stromschleife der BUCK-Schaltung kann durch Hinzufügen von Hochfrequenz reduziert werden Filterkondensator auf der Rückseite der Platine.

3.2 Integrationsschema

Das Integrationsschema bezieht sich auf den BUCK-Konverter-IC, der das Oberrohr und das Unterrohr integriert. Die folgenden Designs stammen aus dem Layout, das in den Gerätedatenblättern einiger Hersteller empfohlen wird, und den tatsächlichen Designs einiger Kundeningenieure.

Das Grundprinzip ist das gleiche wie oben: Legen Sie zuerst den Hauptstromkreis, insbesondere den Eingangskondensator und den IC-Massekreis, aus, und legen Sie dann den Ausgangskondensator unter Berücksichtigung der Aufteilung von Strommasse und Kleinsignalmasse aus. Abschließend legen Sie auf der Kleinsignal-Masseseite die entsprechenden Signalleitungen aus.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Typ 6: SOT23-PCB-Stecker

Gemäß der Analysemethode von Abb. 4, die Strompfade des oberen Rohrs ein- und ausgeschaltet in Abb. 6 sind jeweils gezeichnet, und es kann festgestellt werden, dass:

(1) Der aktuelle Pfad in Abb. 6(a) sollte durch die Unterseite des ICs verlaufen und zur Masse des Eingangskondensators darunter zurückkehren. Der Strompfad ist lang und die Strommasse (der obere linke Eckbereich des GND-Pins des IC) und die Kleinsignalmasse (der rechte Bereich des GND-Pins des IC) sollten ebenfalls streng getrennt sein. Der Vorteil besteht darin, dass der Schaltknoten SW direkt mit der Induktivität im obersten Stockwerk verbunden ist.

(2) Der Strompfad in Abbildung 6(b) ist der kürzeste und die Leistungsmasse (der obere linke Eckbereich PGND des GND-Pins des IC) und die Kleinsignalmasse (der rechte Bereich SGND des GND-Pins des IC) sind streng getrennt , wie in Abbildung 7 dargestellt. Der Nachteil besteht darin, dass der Schaltknoten SW über ein Durchgangsloch mit der Induktivität verbunden ist.

Figur 7:SOT23布局2电流路径

(3) in Abb. In 6(c) sorgen die Komponenten in der Nähe des rechten Pins des IC, ein Widerstand und ein Kondensator, die mit dem BOOT-Pin verbunden sind, dafür, dass die Masse des Ausgangskondensators nicht direkt zum GND-Pin des IC zurückkehrt. Es gibt zwei Schaltkreise für die Verbindung zwischen der Masse des Ausgangskondensators und dem GND-Pin des IC: einer durch das Durchgangsloch an der Unterseite des IC, das Durchgangsloch in der Nähe der Masse des Ausgangskondensators und die Masseebene unten, um einen Verbindungskreis zu bilden; Der andere ist die Masse des Ausgangskondensators, die von der Unterseite des ICs über die obere Kupferschicht mit dem GND-Pin des ICs und der Masse des Eingangskondensators verbunden ist.Bei diesem Layout-Design ist der Strompfad am längsten, die Leistungsmasse und die Kleinsignal-Masse sind nicht getrennt und der Schaltknoten SW ist über das Durchgangsloch mit der Induktivität verbunden, sodass das Layout-Design schlecht ist.An der Unterseite des SOT23-Geräts befindet sich eine Kupferschicht mit elektrischer Erdung. Auf dem entsprechenden PCB-Pad können mehrere Vias verlegt werden, die zur Verbesserung der Wärmeableitung mit der Masseebene der unteren Schicht oder der inneren Schicht verbunden werden können. Wie in Abbildung 8 dargestellt, sind unter den zulässigen Bedingungen so viele Durchkontaktierungen wie möglich zu verlegen, und der Durchmesser der Durchkontaktierungen sollte entsprechend ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass nach dem Löten kein Zinn austritt und Zinn die Durchkontaktierungen füllt.

 Figur 8:下部有铜皮SOT23 PCB 布局

Abbildung 9 listet mehrere PCB-Designlayouts des SO8-Gehäuses auf. Interessenten können ihre Vor- und Nachteile nach den oben genannten Methoden analysieren.

(a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

图9: 下部有铜皮SO8几种PCB布局

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